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C03-1 　アルヴェン固有モード・センシングシステムによるアルファ粒子損失機構の 研究

第２回　科研費特定領域「プラズマ燃焼のための先進プラズマ計測」シンポジウム　　 2006.2.16-2.18, 博多. C03-1 　アルヴェン固有モード・センシングシステムによるアルファ粒子損失機構の 研究. 研究代表者　　 東井和夫（核融合研） 研究分担者　　 大舘　暁（核融合研） 研究分担者　 榊原　悟（核融合研） 研究分担者 武智　学（原研） 協力研究者　 磯部光孝（核融合研）、長壁正樹（核融合研）、永岡賢一（核融合研）、 徳沢季彦（核融合研）、西浦正樹（核融合研）、中島徳嘉（核融合研）、

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C03-1 　アルヴェン固有モード・センシングシステムによるアルファ粒子損失機構の 研究

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Presentation Transcript

  1. 第２回　科研費特定領域「プラズマ燃焼のための先進プラズマ計測」シンポジウム　　2006.2.16-2.18, 博多 C03-1　アルヴェン固有モード・センシングシステムによるアルファ粒子損失機構の研究 研究代表者　　 東井和夫（核融合研） 研究分担者　　 大舘　暁（核融合研） 研究分担者　 榊原　悟（核融合研） 研究分担者 武智　学（原研） 協力研究者　 磯部光孝（核融合研）、長壁正樹（核融合研）、永岡賢一（核融合研）、 徳沢季彦（核融合研）、西浦正樹（核融合研）、中島徳嘉（核融合研）、 藤堂泰（核融合研）、篠原孝司（原子力機構）、石川正男（原子力機構）、 松永　剛（原子力機構）、山本　聡（ 阪大）、庄司多津男（名大）、 菊池祐介（ユーリッヒ）、D. Spong (ORNL)

  2. CHS, LHD 及び JT-60Uにおける研究の進展 高速イオン励起MHDモード（アルヴェン固有モードAE、高エネルギー粒子モードEPMなど）の特性研究と高速イオン輸送への影響の研究を、CHS, LHD,JT-60UさらにTEXTORで進めている。 (A) 高速イオン励起AEとEPMの 特性研究: LHD, JT-60U LHD : 反射計によるAEの内部構造の測定 ( 徳沢, NIFS) LHD　：　極低回転変換プラズマにおける高調波モードとEPM JT-60U ： 負磁気シアトカマクプラズマにおけるAE(武智、JAEA) (B) アンテナ励起によるAE励起と減衰率の測定: CHS, TEXTOR CHS：外部印加の高周波磁場摂動印加によるTAE励起と減衰率測定(松永 JAEA） TEXTOR： DEDコイルによるAE 励起と減衰率測定（庄司　名大） (C) AE及びEPMによる高速イオン輸送: CHS, LHD, JT-60U CHS : 高時間分解損失イオンプローブ, 方向性プローブ等によるEPMs及び TAEs に よる高速イオン輸送の研究 ( 磯部 NIFS 、永岡 NIFS) LHD：TAEバーストによる高速イオンの径方向再分配(長壁、NIFS) JT-60U：負磁気シアトカマクプラズマにおけるAE(石川、JAEA) (E) 実験結果のコンピュータシミュレーション: CHS及びLHDの実験データ CHS 及びLHDの実験結果のコンピュータシミュレーション (D. Spong, ORNL, 藤堂, NIFS)

  3. （Ａ）高速イオン励起AEとEPMの 特性研究: LHD, JT-60U （関連発表）徳沢（ＮＩＦＳ）の発表

  4. Shear Alfvén Spectra(by CAS3D3)- Configuration 1: high magnetic shear (Rax=3.6 m, low ) - Nf=1 Nf=2 • We compare these observed frequencies with the global mode analyses by CAS3D3. • The n=1, 2 mode are identified with core-localized TAE and global TAE, respectively. • The continuum damping due to the high-n modes is quite weak in LHD. C-TAE m=2,3 G-TAE m=3,4,5 20th IAEA FEC [EX/5-4Rb] presented by S. Yamamoto, S. Yamamoto et al., NF(2005)

  5. PSD (<500kHz) Measurements of internal structure of AEs by m-wave reflectometer（徳沢季彦） T. Tokuzawa et al. 9th IAEA TM on EP, 2005 Space=20points, Sweep time=0.2s #57835 Bax=1.0T Rax=3.75m NBI#1(CCW) t>2.3s up-stair Shear Alfvén Spectra n=1 n=2

  6. (5-1) Fast Ion Confinement & Energetic Ion Driven AEs/EPMs Magnetic Probes Interfero-metry No change in energy spectra of charge exchanged fast neutrals (by P. Gocharov) Observation of multiple higher harmonics in AE/EPM frequency range This may be a new type of AEs By P. Goncharov)

  7. Excitation of Energetic Particle Modes with Co-NBI Application of CO-NBI to a plasma with large negative Ip induces enhanced energetic ion loss caused by excited EPMs with m/n=3/1 . FIR data may give information on CO-NBI deposition profile, i.e., off-axis deposition.

  8. JT-60Uの負磁気シアプラズマにおけるＡＥ研究に進展　（武智　学）JT-60Uの負磁気シアプラズマにおけるＡＥ研究に進展　（武智　学） • 理論：内部輸送障壁（ＩＴＢ）の形成される高閉じ込めの負磁気シアプラズマではAEは安定化。このようなプラズマのAE研究が不十分。ＬＨＤやＣＨＳの負磁気シア配位との共通点。 • ＪＴ－６０Ｕで負磁気シアプラズマ特有のRSAE (Reversed Shear Alfvén Eigenmodes)の観測とＡＥの簡易モデルの検証を実施。

  9. RSAE Alfven Cascade

  10. JT-60Uの負磁気シア配位

  11. まとめと今後の課題 • ＪＴ－６０ＵのRSプラズマのＡＥの周波数変化は簡便なRSAEモデルにより説明可 • RSAETAEへの遷移がもっとも不安定になりやすい。 • ＡＥはqoをあげても安定化されない • 種々の揺動の高速サンプルデータの収集 • TASK/WMコードで周波数の時間変化の解析 • ＲＳＡＥの理解とITB trigger eventとの相関研究 　　　　　　（RSAEのqminの計測モニター）

  12. アンテナ励起によるAE励起と減衰率の測定: CHS, TEXTOR （関連発表）庄司（名大）TEXTOR

  13. AE Spectroscopy System in CHS（松永） • This system is composed of two electrodes. • Excitation voltage is applied between vacuum vessel and electrodes. → Single probe method • Excitation current is induced along a specific magnetic field line. ↓ Shear Alfvén waves would be effectively generated. Toroidal Mode → Even Mode Electrode 9th IAEA Technical Meeting on EPs, 2005, Takayama by G. Matsunaga, G. Matsunaga et al., PRL (2005)

  14. Profiles of Transfer Functions • Transfer function can be obtained as complex function of frequency and position. • The transfer functions clearly show eigenmode at r/a ~ 0.5 and f ~ 100kHz. 9th IAEA Technical Meeting on EPs, 2005, Takayama by G. Matsunaga,

  15. Eigen-frequency & Damping rate • To confirm that these modes are related to AEs, plasma parameter were varied. • The observed frequency clearly depends on VA.---AEs • Damping rates are about 5 ~ 20%. 9th IAEA Technical Meeting on EPs, 2005, Takayama by G. Matsunaga,

  16. Damping rates v.s. Ve/VA • Electron pressure converts shear Alfvén wave into kinetic Alfvén wave in the range of Ve >VA. • KAW propagates away from AE gap and is damped by Landau damping. → Radiative Damping • It is expected that radiative damping can be effective with increasing Te. • In the range of Ve >VA, the damping rates become larger. • ↓ • Radiative Damping may be a possible candidate of damping mechanisms. • Conditions 0.1<Ve/VA<8 are realized. 9th IAEA Technical Meeting on EPs, 2005, Takayama by G. Matsunaga,

  17. ＴＥＸＴＯＲのDEDコイルを用いたＡＥ励起実験（庄司、名大）ＴＥＸＴＯＲのDEDコイルを用いたＡＥ励起実験（庄司、名大） • m/n=3/1, 6/2及び12/3のq=3に共鳴するヘリカル磁場を印加できるDynamic Ergodic Divertor(DED)コイルに1-500kHzの微小高周波電流を流し、その等価的インピーダンスを計測し、AEの探索を行った。 　詳細発表：2月18日 T. Shoji et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  18. LHD, CHS 及びJT-60Uにおける高速イオン励起ＡＥ及びEPMによる高速イオン輸送 • （関連発表）磯部光孝 • （関連発表）永岡賢一

  19. Modulation of Fluxes of Charge Exchanged Fast Particles by Bursting TAEs on LHD（長壁正樹） M. Osakabe et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama Energy decay time of increased neutral flux was proportional to 1/ne, indicating the increase observed at the lower energy side was due to the classical slowing down process. • Energy decay time was examined from the least square fitting of the increased neutral flux peak position to the exponential function .

  20. Relation between TAE gap and Particle Orbit The particle’s orbit has higher probability of staying around the TAE gap by n=2/m=3~4. M. Osakabe et al. 9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  21. The ‘hole’ starts from 153keV( and can be extrapolated to 180keV at the burst timing) and its typical decay time is 8.3[ms] The ‘peak’ starts from 153keV and its decay time is 6[ms] Redistribution of Energetic Particles by TAE Clump and Hole Formation in NPA Spectra M. Osakabe et al. 9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama Creation of a ‘Peak’ and a ‘Hole’ with a TAE-burst is simultaniously observed on NPA spectra.

  22. 100 110 120 130 135 145 140 1.5 2.0 2.5 H LIP Frequency (kHz) dB/dt 3.0 3.5 m/n=3/2 4.0 6.0 100 Perp. 110 120 130 135 145 140 1.5 70 75 80 85 90 Time (ms) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 5.0 6.0 M. Isobe et al. 9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama Lost fast ion probe signals measured at large R side（磯部光孝）- Bright spot on the scintillator screen due to impact of fast ions - shot#122764 Rax/Bt=0.974 m/0.92 T Pitch angle (degrees) Frame rate : 1 kHz Co-, parallel EPM-quiescent phase t=74-75 ms EPM phase t=85-86 ms 5.0 Primary spot Gyroradius centroid (cm) Gyroradius centroid (cm) • Primary loss spot appears in pitch angle of 130~133 degrees • (v///v= -0.64 ~ -0.68). • - Measured gyro-radius is consistent with that of ions having Eb. • During EPM, scintillation light intensity in more parallel pitch angle • significantly increases.

  23. x1019 m-3 m/n=2,3/1 H (a.u.) LIP (a.u.) Frequency (kHz) dB/dt ne TAE EPM m/n=3/2 core-localized Fluctuation amplitude B (T) Amplitude ~ 1x10-5 T Time (ms) Time (ms) M. Isobe et al. 9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama TAE mode and its effect on beam ions • Toroidal Alfvén eigen (TAE) mode is excited by • tangentially coinjected NB. • - Weak TAE appears between the two pulses. Enlarged pulse t = 87-89 ms shot#124870 Rax/Bt=96.2cm/0.91T TAE EPM ~ - Significant increase of fast ion loss is not seen when the mode amplitude is small (~1x10-5T )

  24. shot#124870 Rax/Bt=96.2cm/0.91T B (T) ~ amplitude :(3-4)x10-5 T 110 120 130 140 150 Time (ms) TAE M. Isobe et al. 9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama TAE mode having higher fluctuation level Comparison on beam ion losses between EPM and TAE TAE's level gradually decreasing • Fast ion loss due to TAE mode appears when fluctuation level is above 3x10-5 T and rapidly • increases as fluctuation level increases.

  25. ＪＴ－６０ＵにおけるＡＥによる高速イオン輸送（石川正男）ＪＴ－６０ＵにおけるＡＥによる高速イオン輸送（石川正男） M. Ishikawa et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  26. M. Ishikawa et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  27. M. Ishikawa et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  28. M. Ishikawa et al.9th IAEA TM on EP, 2005, Takayama

  29. ＤＥＬＴＡ５ＤによるCHSにおけるＥＰＭ誘起イオン輸送のシミュレーション( D.A. Spong, ORNL) • DELTA5D: 　　　１．Orbit equation+Monte Carlo code ２．Modeled magnetic perturbations of which frequency chirping is simulated from experimental data.

  30. Preliminary results of the numerical simulation(1)

  31. Preliminary results of the numerical simulation(2)

  32. Conclusion and Next Steps

  33. Ｈ18年度計画の概要 • ＣＨＳ： 　１．新たにファラデーカップ付損失イオンプローブ、高速Ｈa検出器アレイの新設による 　　　高速イオン計測データの充実。損失イオンプローブ（LFS, HFS), 方向性プローブ 　２．周辺挿入電極方式による高周波摂動磁場と損失イオンプローブ信号との相関計測 • ＬＨＤ： １．ＡＥのアンテナ励起と減衰率計測（ＭＰ、ＳＸ，ＥＣＥ，反射計、干渉計との相関） 　　２．反射計などによる高速イオン励起ＡＥの空間構造計測 　　３．ＮＰＡ，ファラデーカップ付損失イオンプローブ、高速Ｈa検出器アレイ等に 　　　　よる損失高速イオンデータの充実 • JT-60U： １．負磁気シアはいいでのRSAEの内部構造計測とRSAEによる高速イオン輸送 　２．ＩＣＲＦアンテナを利用した直接励起 • 理論・シミュレーションとの比較 　１．ＤＥＬＴＡ５Ｄ、ＭＥＧＡコードによるコンピュータシミュレーション ＣＨＳデータ: 揺動のFrequency chirpingと損失機構 　　　　　　ＬＨＤデータ：EPM, Bursting TAEによる高速イオン輸送

  34. 予備資料

  35. A system for AE spectroscopy on LHD • Vc=150V, I=5A, f< 1MHz • Two exciter coils of 1.2mx0.5m are placed away from 180°in the toroidal direction. Then, • n=0,1 and 2 are expected.

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