装置間比較を通じた磁場閉じ込め高温プラズマの同位体効果の解明

通过设备之间的比较阐明磁约束高温等离子体中的同位素效应

基本信息

批准号：
21J12314
负责人：
木下稔基
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はLHDにおける輸送研究を促進するために2種類の計測器の開発および閉じ込めの水素同位体効果の理解を目指して実施したものである．計測器開発の1つ目は波長10.6umCO2レーザーおよび波長4.6umの量子カスケードレーザー(QCL)を用いた2波長レーザー干渉計(CO2/QCL干渉計)であり，ベンチトップ実験を通じて光学設計の最適化を行い，LHDへ導入した．その結果，高空間分解能で電子密度分布計測が可能となった．本計測器は高密度プラズマにおける物理研究や高精度な粒子輸送実験への適用が期待できる．2つ目は位相コントラストイメージングによる乱流揺動の絶対値計測である．乱流揺動はプラズマの閉じ込めを決定する重要な要因であり，絶対値計測が可能となることで異なる装置間の比較が可能となった．閉じ込めの水素同位体効果の解明を目指してLHDにて水素同位体実験を行った．本実験では一定の加熱条件下において電子密度をスキャンし，熱・粒子輸送および乱流揺動の計測を行った．その結果，ある電子密度(遷移密度)においてプラズマの閉じ込め時間および電子密度揺動の電子密度依存性が変化し，遷移密度以上では軽水素プラズマと比べて重水素プラズマにおいて揺動が減少し，閉じ込めが改善する結果がえられた．これはプラズマを支配する乱流揺動の種類が変化したためであり，乱流揺動のパラメータ依存性および2種類のシミュレーションを駆使することで電子密度の増加に伴い支配的な乱流揺動がイオン温度勾配不安定から抵抗性交換型不安定性に遷移したことが明らかとなった．したがって，重水素プラズマにおける揺動の抑制および閉じ込めの改善は支配的な乱流揺動が抵抗性交換型不安定性であるためであり，この重水素プラズマにおける閉じ込め改善メカニズムはこれまでトカマク型装置で確認されたメカニズムとは全く異なるものであることを発見した．

进行这项研究的目的是开发两种类型的仪器来促进LHD中的运输研究并了解禁闭的氢同位素效应。仪器开发的第一个是使用10.6UM CO2激光器和4.6UM波长量子级联激光器（QCL）的两波长激光干涉仪（CO2/QCL干涉仪）。通过台式实验优化了光学设计，并引入了LHD。结果，通过高空间分辨率，电子密度分布测量变得可能实现。预计该测量仪器可用于高密度等离子体和高度准确的粒子传输实验的物理研究。第二个是使用相对比成像对湍流波动的绝对值测量。湍流振动是确定血浆限制的重要因素，测量绝对值的能力使得可以比较不同的设备。使用LHD进行氢同位素实验，以阐明禁闭的氢同位素效应。在此实验中，在恒定加热条件下扫描电子密度，并进行了热，颗粒传输和湍流波动的测量。结果，血浆约束时间和电子密度波动的电子密度依赖性在一定的电子密度（过渡密度）和过渡密度或更高的情况下变化，与光氢等离子体相比，氘等血浆中的振荡降低，从而改善了损伤。这是因为主导等离子体的湍流波动的类型已经改变，并且通过使用湍流波动和两种模拟的参数依赖性，已经表明，由于电子密度增加，从离子温度梯度到电阻式交换类型不稳定性的不稳定性转变为电阻性交换类型不稳定性。因此，我们发现抑制血浆氘的振荡和改善限制是因为主要的湍流振荡是一种电阻式交换类型的不稳定性，并且在依给先前证实的机制中，在托卡马克（Tokamak）设备中证实的机制中的限制性改善机制完全不同。