[論文レビュー] High flux expansion divertor studies in NSTX

V. Soukhanovskii, R. Maingi+11 more|ArXiv.org|Dec 21, 2009

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、National Spherical Torus Experiment (NSTX) において、Xポイント高さ ($h_X$) を変化させることで、高フラックス拡張ダイバータ構成の特性を調査し、ダイバータターゲットへのピーク熱フラックスを低減することを目的としている。ポロイダルフラックス拡張を6から26に増加させることで、ピーク熱フラックスは7–8 MW/m²から1–2 MW/m²に低下した。これは、フラックス拡張が熱フラックス低減の主要因であることを示しており、低 $h_X$ 時にダイバータが剥離状態に近づくことが確認された。これらの結果は、コンパクトなスフィアカルトカマクスにおいて高フラックス拡張を用いることで、熱負荷を緩和し、プラズマ性能を向上させられることを支持する。

ABSTRACT

High flux expansion divertor studies have been carried out in the National Spherical Torus Experiment using steady-state X-point height variations from 22 to 5-6 cm. Small-ELM H-mode confinement was maintained at all X-point heights. Divertor flux expansions from 6 to 26-28 were obtained, with associated reduction in X-point connection length from 5-6 m to 2 m. Peak divertor heat flux was reduced from 7-8 MW/m$^2$ to 1-2 MW/m$^2$. In low X-point configuration, outer strike point became nearly detached. Among factors affecting deposition of parallel heat flux in the divertor, the flux expansion factor appeared to be dominant

研究の動機と目的

• スフィアカルトカマクスにおけるダイバータジオメトリ、特にXポイント高さ ($h_X$) が熱フラックスおよび粒子フラックスに与える影響を調査すること。
• コンパクトで高パフォーマンスのHモードプラズマにおいて、高フラックス拡張がダイバータターゲットへのピーク熱フラックスを許容可能な水準まで低減できるかどうかを評価すること。
• フラックス拡張と他の損失メカニズム（例：伝導、放射）の相対的寄与度が、ダイバータ熱フラックス低減に果たす役割を評価すること。
• 外ストライクポイントの剥離状態が達成される条件と、粒子リサイクルの改善がどのように関連するかを特定すること。

提案手法

• 1 MAおよび6 MWのニュートラルビーム加熱条件下で、下部シングルナールHモード放電において、Xポイント高さ ($h_X$) を5–6 cmから18–22 cmに段階的に変化させた。
• ダイバータPF1Aコイル電流（10–18 kA）を調整することで、ステディステートのプラズマ垂直位置制御を実現し、ショット間での制御を可能にした。
• 赤外熱画像法、スペクトルフィルタードカメラ、UV可視分光法、圧力計を用いて、$T_e$、$n_e$、$q_{pk}$、$D_\alpha$輝度、および中性圧力を測定し、ダイバータパラメータを評価した。
• 幾何的効果を定量化するため、フラックス拡張係数 $f_{exp} \simeq (B_\theta/B_{tot})^{MP}/(B_\theta/B_{tot})^{SP}$ および接続長 $L_X$、$L_c$ を計算した。
• 場の線の入射角 $\gamma$ を用いて、$q_{\parallel} = q_{pk}/\sin\gamma$ の式により、ピーク熱フラックスを中間面にマッピングした。
• 測定された $q_{pk}$、$P_{div}$、$T_e$ プロファイルを用いて、フラックス拡張、伝導、放射損失の相対的寄与度を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高三角形度のスフィアカルトカマクスプラズマにおいて、Xポイント高さ ($h_X$) を変化させると、ダイバータターゲットへのピーク熱フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 フラックス拡張が、他の損失メカニズム（例：伝導、放射）に比べて、ダイバータ熱フラックス低減にどの程度優位に寄与するか？
• RQ3 $h_X$ を低減させると外ストライクポイントの剥離状態に至るのか？その根拠となる証拠は何か？
• RQ4 ダイバータジオメトリが、中性圧力、粒子リサイクル、およびダイバータ領域における重水素圧縮にどのように影響を与えるか？
• RQ5 $h_X$、フラックス拡張係数 $f_{exp}$、接続長 $L_X$ の関係が、ダイバータ性能にどのように関与するか？

主な発見

• ピークダイバータ熱フラックスは、高 $h_X$（18–22 cm）のとき7–8 MW/m²から、低 $h_X$（5–6 cm）のとき1–2 MW/m²に低下し、$h_X$ と強い逆相関関係にあることが示された。
• $h_X$ が23 cmから7 cmに低下するに従い、フラックス拡張係数 $f_{exp}$ は約6から約26に増加し、顕著な幾何的フラックス拡散が確認された。
• 低 $h_X$ 時に、$T_e$ は低下し、$n_e$ は上昇し、再結合率が上昇し、$D_\alpha$ 輝度も上昇した。これは、外ストライクポイントが剥離状態に近づいていることを示している。
• ダイバータ圧縮係数 $P_{div}/P_{mid}$ は、$h_X$ の低下に伴いほぼ線形に増加し、中性粒子の閉じ込めが向上し、リサイクル効率が低下していることが示唆された。
• Xポイントからターゲットへの接続長 $L_X$ は、$h_X$ の低下に伴い2 mから5–6 mに増加したが、中間面からターゲットまでの長さ $L_c$ は15±2 mとほぼ一定であった。
• ピークダイバータパワー $Q_{div}$ は1.5–2 MWの範囲で弱く変動し、低 $h_X$ 時に放射パワーが増加したことが、熱フラックス低減に寄与していることが示された。