QUEST研究会 2015.03.11 多階層複雑・開放系における 粒子循環の物理とマクロ制御 １．研究背景と課題概要 ２． CORE(平衡配位） ３． SOL(乱流構造の可視化） ４． WALL(素過程応答関数） ５． 燃料注入と多階層構造の応答 図子秀樹、花田和明、藤澤彰英、出射浩、永島芳彦 九州大学 応用力学研究所 連携研究者：高瀬雄一（東大）、福山淳（京大） 海外研究者：小野雅之(PPPL)、S. SHARMA(IPR) 1 20150311 謝辞 双方向型共同研究実験装置 応用力学研究拠点共同利用装置 QUEST 花田和明、藤澤彰英、出射浩、永島芳彦、松岡啓介、吉永智一、東園雄太、石黒正貴、田島西夜、S.K.Sharma、 A.Rusinov、H.Q.Lui、坂口政嗣, Kalinnikova Evgeniya、了戒智文 S. Banerjee,、K.K.Mishra、 A.Kuzmin、恩地拓己 久保伸、井出俊介、畑山明聖、大野哲靖、上田良夫 、江尻晶、菊池満 客員教授 中村一男、徳永和俊、長谷川真、吉田直亮、渡辺英雄、田辺哲雄、佐藤浩之助、川崎昌二、中島寿年、東島亜紀、藤原正、 核融合部門 伊藤早苗、矢木雅敏、稲垣滋、糟屋直宏、佐々木真、小菅佑輔 高瀬雄一、前川孝、岸本泰明、大野哲靖、廣岡慶彦、安藤晃、長山好夫、朝倉伸幸、坂本瑞樹、福山淳、御手洗修、藤田隆明 QUEST実験推進会議 中嶋洋輔、西野信博、森崎友宏、長壁正樹、小野靖、磯部光孝、岡村昇一、永田正義、福本直之、津島靖、中西秀哉、小森彰夫、山田弘司、中村幸男、川端一男、金子修、武藤敬、中 島徳嘉、小川雄一、斎藤輝雄、上田良夫、菊池祐介、政宗貞男、三瓶明希夫、田中仁、時谷政行、宮本光貴、栗原研一、川俣陽一、末岡通治、東井和夫、門信一郎、利根川昭、高村 秀一、庄司多津男、大宅薫、相良明男、冨田幸博、増崎貴、芦川直子、加籐大治、小林政弘、上原和也、久保博孝、川島寿人、仲野友英、岩前敦、熊沢隆平、笠原寛史、野竹孝志、竹 内伯夫、伊神弘恵、滝塚知典、庄司主、小林進二、小野興太郎、永田晋二、土屋文、徐ぎゅう、剣持貴弘、浅井朋彦、山田琢磨、榊田創、永岡賢一、井通暁、江本雅彦、山本孝志、小 嶋護、大砂真樹、成原一途、内野喜一郎、眞銅雅子、齋藤和史、吉村信次、田中雅慶、大矢恭久、奥野健二 、 、 双方向型共同研究 四竈泰一、蓮尾昌裕、森田繁、竹田辰興、上杉善彦、松本和憲、岡田成文、小越澄雄、松浦寛人、 高木郁二、波田野雄治、 久保伸、長崎百伸、下妻隆、 大舘暁、 稲垣滋、武藤敬、 応用力学研究所全国共同利用 LHD計画共同研究 （九大応力研、東大、京大、名大、阪大、東北大、JAEA、NIFS、兵庫県立大、横国大、筑波大、広大、福井大、電通大、産総研、金沢大、富山大、富山県立大、東京 理科大、大阪府立大、京都工芸繊維大、慶大、愛知工業大、徳島大、有明高専、島根大、同志社大、日大、宇都宮大、静大） 小野雅之（PPPL） 国際共同研究 冨樫 央、本間 寛人、中村 京春、山口 隆史、平塚 淳一 （東大新領域） 大中雅侑、大金修平 （京大工学研究科） 藤吉宏彰、濱本啓佑、高橋寿明、田北正智、大坪聡、柿川伸介、井上雄貴 間平陽介 板戸貴紀 浮田天志 Dmitry Bernt、Bogdana Musiyachenko、 MISHRA KISHORE KANTI、翁圭輔、鈴川慎一郎、藤田博充、藤野広樹 大野翔、濱田夏彦、本田拓巳、下地貴大、三浦弘貴、武次克哉、高橋宏輔、秋本隆太、尾﨑浩詔 小山雄也、西山聡、待鳥奨太、濵本直紀、福永史樹、柴田遼介、前田優士、濵嵜将亘、林良薫 総合理工学府先端エネルギー専攻 2 磁場核融合の定常燃焼に向けた ブレークスルーの必要性！ 重力場 では 燃焼維持機構 が自発的発現 無重力場 では 燃焼維持不可 QUEST AFRC 核燃焼プラズマ の定常維持 重力場で 燃料と灰を 閉じこめる 灰排気 ①外部に開放された系 灰排出 灰蓄積 灰 蓄 積 燃料 灰 蓄 積 酸素供給 燃料供給 酸素 膨大な燃料 と低温反応が 維持機構 ②壁の存在 地 上 燃料注入 燃料粒子循環制御 写真出典：WEBサイト ”らばQ”「ロウソクの炎は無重力では丸く青い」 http://labaq.com/archives/51160865.htmlより 図１ 重力場での燃焼維持と磁気核融合の定常燃焼へのブレークスルーの必要性 3 世界最長達成（5時間16分）と燃料粒子循環問題点の発見 QUEST 発見：NF 2002 排気 I Hα (a.u.) 燃料が注入できない 0 3 入射粒子束一定 2 1 (b) 1.5 S g ( 10 18 -1 s ) 0 (c) 1.0 AFRC 燃料ＦＢ制御 0.5 排気 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Time (min) 図３金属壁が水素循環源 NF2004 水素共堆積 スペクトル解析（日野） 排気 図４ 排気機能の付加 定常に向けてのブレークスルー課題 • 炉心プラズマ、SOL-plasma、壁相互作用 3領域間の粒子循環 • 壁での水素循環を制御 4 多階層・複雑系の粒子循環機構の解明 (I) 中性粒子乱流の役割 磁化プラズマ SOL 乱流プラズマ 燃料注入 プラズマ束 変動 QUEST 壁 AFRC 100nm 堆積層 ＳＵＳ 階層構造を もつ炉心プラズマ （simulation) 間歇乱流輸送 圧力変動 乱流気体 NF(2007) ～10 秒 １）中性粒子乱流とプラズマ粒子輸送 ２）ＳＯＬ間歇乱流の統計法則 ３）中性粒子循環の統計法則 TEM写真 灰排気 図 ５ 間歇的な水素放出 5 定常運転における動的燃料循環モデルと 循環制御の実証 プラズマ乱流 確率分布 燃料粒子乱流 定常実験 スペクトル （温度制御） プラズマ乱流場ー燃料粒子乱流場 粒子循環モデル因子（応答関数） プラズマ回転 と流れ 電流駆動と 平衡配位 燃料粒子 流れ計測 燃料粒子 応答関数 “粒子輸送”予測 壁水素滞留時間 （壁温度と制御） 燃料吸蔵と 再放出 “燃料循環”制御 6 I. 電流駆動と平衡磁場配位 • 磁気容器を高周波を用いて制作する • 磁気容器の性質を調べる 7 非誘導 電流駆動 （高エネルギー電子） 外部印加 磁場小 M. Ishiguro, POP 2012 外部印加 磁場大 S. Tashima, NF 2014 8 観測の再現（外部印加、自己磁場） QUEST M. Ishiguro, T. Yoshinaga, POP 2012 AFRC 9 高速電子の閉じ込め性能評価 QUEST S. Tashima, NF 2014 AFRC 10 高周波ー高エネルギー電子 トロイダル電流立ち上げと維持QUEST S. Tashima, NF 2014 AFRC 11 QUEST AFRC 12 Inboard Poloidal field Null 配位 QUEST AFRC K.Mishra IAEA 2014 13 閾値（IPN-IL配位） QUEST AFRC < phot > βp ∝ 2 Ip εβ p ~ 1.3 ε =a/ R K.Mishra 物理学会 学生優秀発表賞 2013 14 圧力平衡と自己調整機能 QUEST AFRC 15 負の三角度による自己維持QUEST K.Mishra submitted to NF 2014 AFRC 16 II. Scrape-Off-Layer 間歇揺動 • 間歇揺動ー揺動力の可視化にとりくむ • 間歇揺動の統計分布の２D構造を調べる 17 Slab plasmaのヘリカル状揺動 QUEST AFRC 発達完了 成長中 誕生 ヘリカルfilamentの成長は磁力線のピッチに沿って、且つピッチが長く（接続長が短く）なるほど 18 顕著になる カメラ画像、探針プローブ計測の対応 QUEST AFRC S.Banerjee, NF 52 123012 2012 Blob 加速 Blob 小粒化 R. Ogata, Hanada POP 18 2011 H.Q.Liu, Hanada JNM 438 2013 19 2次元空間での 揺動力の可視化と確率密度分布 QUEST 挑戦的萌芽研究 S.Banerjee, POP 21 072311 2014 AFRC 20 µ ( R, z ) = (1 N )∑Nj=1 I ( R, z , t j ) µ 2 ( R, z ) = (1 N )∑Nj=1 (I ( R, z , t j ) − µ ( R, z ) ) 2 σ ( R, z ) = µ 2 ( R, z ) µ k ( R, z ) = (1 N )∑Nj=1 (I ( R, z , t j ) − µ ( R, z ) ) k µ 3 ( R, z ) , 3/ 2 µ 2 ( R, z ) µ ( R, z ) −3 K ( R, z ) = 4 2 µ 2 ( R, z ) S ( R, z ) = L−1 ( R , z ) = −∇ R (ln µ ( R , z )) S.Banerjee, 21 POP 21 072311 2014 2M ( x ) − V ' ( x ) a+x p(x ) = A exp − ∫ dx = A exp − ∫ dx 2 V( x ) c0 + c1 x + c2 x c0 (R , z ) = f 0 ( σ , S , K ), c1 (R , z ) = f1 ( σ , S , K ), c2 (R , z ) = f 2 ( σ , S , K ) x m c2 (R , z ) = 0,c1 (R , z ) ≠ 0; p( x ) = A(c0 + c1 x ) exp − 2c1 ( x + a )2 c2 (R , z ) = c1 (R , z ) = 0; p( x ) = A exp − 2c0 S.Banerjee, 22 POP 21 072311 2014 確率密度分布と揺動発展(Langevin)方程式 QUEST AFRC 23 III 水素吸蔵ー放出過程の応答関数 QUEST ガス収支計測（注入総量ー排気総量） 吸蔵・放出過程の独立計測 薄膜透過束計測＝＞拡散方程式の逆問題＝＞壁入射束 テスト粒子の放出束＝＞壁再放出束 外部摂動に対する応答関数を決定 燃料注入、相互作用の領域、イオン損失束 AFRC 24 Ni薄膜-probe（京大） QUEST AFRC S.K. Sharma JNM 2012 田辺 トリチウム特定研究（公募研究） 25 水素透過束ー水素壁入射束計測 （PdCu薄膜-probe 改良型） QUEST AFRC A. Kuzmin A. Rusinov, JNM 2014 26 Tokamak ：定常粒子制御 QUEST 排気率 AFRC dPH 2 ( t ) PH 2 ( t ) =− + qout + q H 2 ( t ) + qrel ( t ) − qret ( t ) − N plasma τ pump dt qout = cons tan t q H 2 ( t ) = q0U ( t − nT )U ( nT + ∆ − t ) 粒子注入源 1 β η qrel ( t ) = ∫ q H 2 ( t − η) α η exp(− ) dη τr η 粒子再放出束 3 η qret ( t ) = ∫ q H 2 ( t − η) η exp(− ) dη τ pump 粒子吸蔵束 応答関数 27 水素ガスインパルスに対するH2ガス圧の応答 QUEST プラズマ 5sec 10sec AFRC ・真空容器へのインパルス応答 ・プラズマ中へのインパルス応答 吸蔵による実効排気? 20sec 40sec 真空容器 真空ポンプによる排気 (2.3 sec) 5sec 10sec 20sec 再放出 によるlong tail ? (1/tα) 40sec 28 水素ガスインパルスと水素壁入射束応答 QUEST AFRC 1. 摂動ガス変調周期を5秒、10秒、20秒、40秒と変えたときの圧力変動（黒） 水素壁入射束変動 29 水素ガスインパルスに対する応答関数 （水素壁入射束） QUEST AFRC Γmax − Γ0 t Γinc (t ) = Γ0 + ∫ h(t − η)q gas (η)d η Vmax −∞ n max q gas (t ) = ∑ U (t − nT )U (nT + ∆ − t ) n =0 30 燃料注入と階層応答 階層間相互作用 • (a) 極端短パルス超高密度プラズマ（CT)入射 （低磁場側 垂直方向運動量入射） • (b) 短パルスH2ガス入射 （高磁場側 ０運動量入射） • (c) 繰り返しH2ガス入射 粒子循環一定制御 31 (a) 極端短パルス超高密度プラズマ （CT)入射 QUEST Probe array AFRC Compact toroid 100km/s 100kPa 兵庫県立大学 （永田、福本） 32 Particle Image Velocimetry (粒子イメージ流速計測法） QUEST S. Banerjee, RSI 2015 AFRC 33 (b) 短パルスH2ガス入射 AFRC トムソン散乱による密度・ 温度分布の発展 H2 QUEST 34 （東大Yamaguchi Dr. Thesis 2013, H. Togashi、RSI2014） 角運動量の反転と緩和 QUEST • Far SOL ∂ (ρ i ΩR 2 ) = − ∂ (rRΠ φr ) + M i + M e ∂t r∂r 四竈 35 （京大） AFRC SOL 流れ構造の緩和 QUEST T. Onchi, K.Nagaoka JNM 2014 36 AFRC (c) 繰り返しH2ガス入射 粒子循環一定制御 リサイクリング束 PH2 H-flux A. Kuzmin JNM 2014 粒子循環状態の遷移現象 QUEST 38 AFRC “粒子循環状態の寿命時間”の確率密度分布 QUEST 粒子循環過程に及ぼす確率過程 => 時間発展確率密度分布 dN = −(d )N (1+γ ) + ( g )N + N (F )Λ (t ) dt 2d N γ −1+ 2 g / F = CN α exp(− βN ) f ( N ) = CN exp − F γ 39 AFRC 定常運転における動的燃料循環モデルと 循環制御の実証 プラズマ乱流 確率分布 燃料粒子乱流 定常実験 スペクトル （温度制御） プラズマ乱流場ー燃料粒子乱流場 粒子循環モデル因子（応答関数） プラズマ回転 と流れ 電流駆動と 平衡配位 燃料粒子 流れ計測 燃料粒子 応答関数 “粒子輸送”予測 壁水素滞留時間 （壁温度と制御） 燃料吸蔵と 再放出 “燃料循環”制御 40 謝辞 20150311 ご来聴ありがとうございました 今後ともQUEST –PJにご支援 ご協力お願い申し上げます 41
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