高性能核融合炉心プラズマ維持のための多種不純物輸送制御に関する研究

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本研究は、JT-60Uにおけるネオン(Ne)・アルゴン(Ar)等多種類の希ガス不純物の入射実験の数値シミュレーション解析を通じてプラズマ-不純物間の非線形な相互作用とその特性を明らかにし、JT-60SA、ITER、原型炉の運転に向けた不純物輸送制御手法を確立することを目的としている。令和4年度は、令和3年度に実施したSONICコードによるJT-60SAでのAr+Ne混合不純物入射時の過渡解析を、さらに詳細に実施した。この計算では、Ar不純物を定常的に入射しているプラズマに追加でNeを入射し、炉心プラズマ性能に影響の大きいArイオンの炉心への侵入が遮蔽される時間的振る舞いの過渡解析を行なった。Arイオンは重水素(D)イオンの流れに起因する摩擦力と、温度勾配に起因する熱力とのバランスで輸送方向が決まり、Ar単体入射時は強い熱力によりArイオンは境界層プラズマ(SOL)上流に滞留している。ここにNeを追加入射すると、Neは熱力の違いから内側ダイバータ X点近くに滞留する。その結果X点近傍でのNeの放射パワーが増大し、Arによる放射パワーが弱い領域のプラズマを冷却する。プラズマの温度が下がることで、X点近くのプラズマの圧力が下がり、SOL上流での圧力との差が広がる。この圧力の差で内側ダイバータへ向かうDイオンの流れが駆動される。ArイオンはこのDイオンの流れとの摩擦に引きずられ、SOL上流からX点近傍に運ばれる。その結果Arイオンがさらにプラズマを冷却することで一層圧力が下がり、さらにDイオンの流れが加速される。このDイオンの加速により生じる強い摩擦力が、ArをSOL上流から押し流し、炉心へのAr侵入が遮蔽されることが分かった。本成果はNe追加入射によるSOLでのAr遮蔽効果の機構を世界で初めて明らかにしたもので、プラズマ・不純物輸送の時間的制御手法の開発に指針を与える成果である。