ITER プラズマの 高ベータ化の新領域

1. ITERプラズマの高ベータ化の新領域 小関隆久a)、小野靖b)、高瀬雄一b)、杉原正芳a) 日本原子力研究所a)、東京大学b) 謝辞：藤堂泰、矢木雅敏、岸本泰明、JT−60チームの方々 のご協力に感謝します。 日本物理学会年会、2004年3月30日、九州大学

2. 規格化プラズマ圧力 保持時間（秒） ITER運転領域：高β化に向けた課題 複合的不安定性：α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 • アルフェン固有モード（α粒子による不安定性） • 新古典テアリングモードNTM（低規格化小半径r*） • 磁気リコネクション（高磁気レイノルズ数RM） • 抵抗性壁モードRWM （βN>3） • ディスラプション（ベータ限界、密度限界、ロックモード、高li等に起因）の評価、緩和、予測

3. 新領域は？ • βαの増加 • 磁気レイノルズ数の増加 • ラーモア半径の減少 • 燃焼プラズマの複合的安定特性

4. I. 高βαによるα粒子挙動と不安定性 • 単一粒子挙動 • トロイダル磁場リップル損失 • 大軌道粒子損失 • 集団的粒子挙動 • Fishbone不安定性 • Sawtoothの安定化／不安定化 • アルフェン固有(TAE)モード不安定性と粒子損失 • アルフェン乱流 D + T -->3He(3.5MeV) + n (α粒子） βαの上昇による高エネルギー粒子による不安定化？

5. TAEモード（波ー粒子相互作用） 1.2 4.0 1.0 m=1 0.8 3.0 m=1 m=2 0.6 Em 2.0 アルフェン 固有モード 0.4 スペクトラム ギャップ 0.2 1.0 m=2 0 0.50 0.75 0 0.25 1.00 0 r/a 0.75 0.50 0.25 1.00 0 r/a シヤーアルフェン・スペクトラム アルフェン固有関数 波ー粒子の共鳴条件 ・イオン速度 v|| 　＞磁力線方向の位相速度 モードの励起 ・反磁性ドリフト w* 　　＞波のポロイダル方向 　　　位相速度 (wA r/m) 　逆ランダル減衰効果 モード減衰 ・イオンランダウ減衰 ・連続スペクトラム減衰 ・放射減衰 TAEモード成長率

6. ITERプラズマTAE発生領域 [K.Shinohara, et al Nucl. Fusion 2001] • 高エネルギー粒子によるTAEモード励起 • NBI加熱：接線入射、JT-60負イオンNBI、~350keV • ICRF加熱：歳差運動、 • ~数MeV、 • α加熱：等方的速度分布3.5MeV • （ITERによるα加熱主体におけるTAEモードの発生） TFTR（DT実験）にて減衰効果を下げる ことによりα加熱粒子によりTAEモード を励起

7. ITERプラズマのTAEモード安定性 現在のトカマク（多くの場合低ｎモード、単一モード） ITERでは（ｎはトロイダルモード数） １）ba/bの増加により不安定化：ba増による成長率増加、相対的にバルクプラズマのランダウ減衰率の減少 ２）低ra：より高ｎモードが不安定。 FLRによる安定化（n ~　　 ） ITERでは、中間ｎモード（n~10~20）が、大きなポロイダルモード数ｍが不安定（~ n x nq ~ 100-400) HINTコードによるTAEモードの線形成長率（ba0=0.7%, ne0=1020m-3, Ti0=19.3keV, /ra0=39.1, -ba=5%） [Gorelenkov, et al Nucl. Fusion 2003]

8. RSAE RSAE 周波数掃引現象 • JT-60UでのFrequency Chirping mode (100-200ms) [Kusama et. al, Nucl. Fusion 1998] • （有力候補RSAE）非単調増加ｑ分布、大きな粒子起動、トロイダル効果 • 平衡の変化（ｑ分布の変化、電流拡散時間）が、モード周波数の速く大きな変化を起こす。 [Takehi et. al, IAEA conf. 2002] DfRSAE=(vAmDq/2pRq2) ITERでは、殆どの不安定アルフェンモードは、高ｎモードであるり、平衡（ｑ分布）の僅かな変化が、 １）周波数の大きな変化や、 ２）モード数の変化となる。 アルフェン・カスケード現象となるか

9. 流体的-運動論的（波-粒子）非線形現象 速い周波数掃引の観測 1〜5ms上下に10-20Hz変化 粒子(Vlasov)-MHDシミュレーション [Y.Todo and T.Sato, Phys. Plasmas 1998] • 高速イオン圧力が小さい場合（ba0~0.8%）周波数が上下に分離 　（上方へ~7kHz、下方へ~12kHz ） １.高速粒子によるアルフェン固有モードの不安定化 ２．固有モードのポテンシャル井戸が粒子を捕捉、吐き出し ３．周波上昇と下降を発生 [K.Shinohara, et al. Nucl. Fusion. 2001]

10. DT核燃焼 α粒子生成 プラズマの空間勾配 （α粒子勾配の変化） 外部制御システム 加熱・電流分布 ff MHD orbit 高n，多数 TAEモード （ α粒子の吐出し、 再分配、損失） 波-粒子非線形現象 ポテンシャル井戸 のα粒子捕捉 カスケード現象、乱流 ba 新たな分布の形成 （ 飽和、周期、減衰） trans ITERにおけるアルフェンモード • Multi time scaleの不安定性 • AE不安定時間（MHD不安定性時間） • α粒子の捕捉と吐出し時間（捕捉粒子の周回時間） • α粒子輸送時間 • Multi modeの不安定性 • 多数の高ｎモード、モード間結合 • 高baと高nモードの不安定化によるアルフェン乱流の可能性 • アルフェンモードはプラズマの燃焼を飽和させるか？ • 流体的 - 運動論的非線形性 • 高エネルギー粒子による固有モードの励起、固有モードによるポテンシャルでの粒子捕捉・吐出し

11. 14m 6.2m 粒子の加速 磁力線の V 磁気圧の上昇 つなぎかわり X ポイント u u V シート電流 II：磁気レイノルズ数の増加 太陽フレア 磁気レイノルズ数: RM • 太陽フレア　　 1012-1014 • ITERプラズマ　 　 ~1010 • 磁気再結合装置　　 ~103 磁気リコネクションは？ • リコネクション速度（なぜ理論より高速？） • リコネクションのエネルギ解放（イオン加熱？） ITER 磁気再結合装置TS-3

12. Anomalous resistivity (d<ri) 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 6 2 4 -1 0 1 3 5 B B / X // large ri Reconnection rate as a function of Bx プラズマ合体を用いた磁気リコネクション実験 （TS-3/4による合体実験） 異常抵抗によるリコネクションの高速化

13. × (t)[mm] [d/ri](t) 電流シート幅がイオンラーマ半径以下に圧縮されると拡散が急増　　高速リコネクション Bxが異なる合体プラズマのトロイダル電流 jx密度の分布と磁気面、イオンラーマ半径ri, (c)電流シートの実効抵抗のシート幅/ri依存性

14. Sheet Ejection Anomalous resistivity (d<ri) 0.2 0.15 V B r z 0.1 6 B z Ejection ITERで想定される低ρi領域（例えばm/n=1/1モード）　　異常抵抗なしの電流シートを過大に圧縮　　　　　　　　　　　　　　　電流シート（プラズモイド）放出現象 Sheet Ejection 0.3 0.25 0.05 2 4 -1 0 1 3 5 B B / X // large ri Reconnection rate as a function of Bx d>> riのMHD領域

15. 105 5T 圧縮性主要 (rs > de ) 電子温度 eV 104 ITER 103 電子慣性主要 (rs > de ) 102 de /rs =1.75 de /rs =5 101 Sp=1x105 Sp=2x105 Sp=3.3x105 Sp=5x104 100 イオンのダイナミックス 無衝突再結合過程 電子慣性項、電子圧縮性 磁気エネルギー エネルギI ⌒3/1 1020 1019 1021 電子密度　 m-3 JxB + nee 運動エネルギー KE ホール効果 ⌒ 時間／ポロイダルアルベン時間 ITERでの磁気リコネクション実験は？ • バルクプラズマと電流シートプラズマの磁気レイノルズ数の差が大：電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 • 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構解明の可能性。 [Y.Ishii, et al. Phys.Rev. Lett.2002]

16. III：規格化ラーモア半径の減少 • 新古典テアリングモード(NTM)。 • 磁気島内でのブートストラップ電流の減少が磁気島を成長。 • モードの発生には種磁気島が必要。 • スケーリング則：bN ∝ r*、r* の小さいITERでは、低bNで不安定化？ITERでのNTMの発生が大きな課題 磁気島内輸送効果 ブートストラップ電流減少効果

17. 新古典テアリングモードの安定化 • NTMの成長：磁気島内のブートストラップ電流の減少 • NTMの安定化：磁気島内への電流駆動、ECCDによる局所電流駆動 • ITERでの安定化に必要なパワー：<30MW [N.Hayashi, Nucl. Fusion 2004] ITERでは実時間制御による安定化 [A.Isayama, Nucl. Fusion 2002]

18. 新古典テアリングモードの発生機構 • 多くの装置で発生bNはρ＊ にほぼ比例。ITERでは低bNで発生。 モード発生のρ＊スケーリングは正しいか？ 　　　　　　 JET [IAEA, Yokohama 1998] DIII-D [Lahaye 2000] ASDEX [Lahaye 2000] JT-60 [IAEA, Sorrento 2000] ν＊依存性が装置間で異なる。複数装置データからスケーリングは困難。 NTMの発生の機構や未知物理パラメータの発掘が必要

19. ラザフォード方程式の精密化 • 磁場に垂直方向の異常粘性による安定化効果の可能性 • イオンの反磁性方向の回転 • 垂直方向の粘性による安定化効果は温度により増加 [S.Konovalov, JPS 2003]

20. ラザフォード方程式を越えた議論 ４場簡約MHDモデル • 線形解析：イオンの新古典粘性、電子とイオンの反磁性ドリフトによるNTM安定化効果 [A.Furuya, M.Yagi, et al., JPSJ 72,313, 2003] • 非線形解析：NTMが高ベータ乱流によって非線形的に励起され る可能性。高ｎから低ｎモードへのカスケード現象 確率論的な励起理論 [S.-I.Itoh, K.Itoh, M.Yagi, Plasma Phys. Contr. Fusion 2004] • 線形安定なNTMが、微視的乱流ノイズにより 確率論的に亜臨界励起

21. fext=50% (Q=5) fa=50% (Q=5) 外部制御システム 　・加熱分布 　・電流分布 　・運動量分布 プラズマの空間勾配 （圧力勾配の変化） 核燃焼 内部熱源 P 電流の自己生成 電場・回転の 自己生成 ff r * 磁場の構造 新平衡磁場の形成 流れ・回転の構造 NTM Sawtooth ELM AEモード Self-organization 波数空間における 緩和・カスケード現象 マクロスケール 理想・非理想 MHD揺動 ミクロスケール 静電的・電磁的 揺動 Kink-Ballooning/RWM bN * 新たな分布の自己形成 IV：燃焼プラズマの複合的安定特性 α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 • 安定性改善からは平坦圧力分布,ピーク電流 • しかし、ブートストラップ電流は平坦分布、 • α加熱はピーク分布 自律性プラズマの理解

22. (a) (b) 電流ホールプラズマの安定性 自律性の高いプラズマでの安定性？ 電流ホールプラズマ輸送シミュレーション 実験結果を良く再現 電流分布形成 電場分布形成 • 磁気シア反転付近での内部輸送障壁形成による局所的ブートストラップ電流、負の電場の形成 • 自律的な分布形成、巨視的不安定性なし

23. 自律性の高いプラズマの安定性 • β限界：低ｎの理想MHD安定性 • 圧力、電流分布の制御による高βプラズマ達成の可能性 • 分布に敏感 β限界の向上 • ITERでは • さらにα加熱主体（圧力分布） • 安定解が存在するか？制御性はどうか？ • アトラクター、リミットサイクル？ 輸送、MHD、等々を含めた総合的解析 統合コード、研究グリット

24. まとめ I. 高βαによる多数の高ｎモード不安定性： • 核融合燃焼の飽和、高速イオンの損失、カスケード、臨界安定性、アルフェン乱流 II．高磁気レイノルズ数プラズマ：実験室プラズマで、太陽プラズマに迫るデータの取得が可能。 • 電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 • 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構の発見の可能性。 III：規格化ラーモア半径の減少： • ITERでのNTMの発生が大きな課題、Multi fieldMHDシミュレーション、確率論的アプローチ IV：燃焼プラズマの複合的安定特性： • α加熱主体、ブートストラップ電流主体の自律性の高いプラズマの安定性、総合的な安定性解析