Transcript プローブ パラメーター
ヘリオトロンJ周辺プラズマの熱流束分布 に関する研究 中野賢･松浦寛人(大阪府立大学) The authors are grateful to the Heliotron J supporting group for their excellent arrangement of experiments. This work is partially performed with the support and under the auspices of the NIFS Collaborative ResearchProgram(NIFS08KUHL021). サーマルプローブ プラズマから固体壁への熱流束の研究 シースの研究 ラングミュアプローブ シースを通じて行われるプラズマと固体間での 電荷のやりとりを調べる方法. 電子に関するパラメーターを求めることが出来る. サーマル(感熱)プローブ プラズマと固体間での熱流束を計測するために提案された方法 イオンに関するパラメーターも求めることが出来る. I-V特性とQ-V特性 (低圧グロー放電) cpp 2006 Langmuir probe I-V characteristic Thermal probe Q-V characteristic 熱流束はバイアス電圧に依存することが分かった. その他にイオン電流などにも依存する. シース熱伝達因子 プラズマ熱流束評価において次のような式が用いられる. I is Q Te e 比例定数(シース熱伝達因子)はしばしば人為的に与えられる. シース熱伝達因子を考える際に, 以下の要因を考慮していない. バイアス電圧の効果 エネルギー反射係数 RE 表面のエネルギー反射係数の効果 RE 0 で q を,電子温度をパラメータ ーとしたすべてのバイアス領域で理 論的な曲線でのフィッティングはでき ない. 実測した REを用いて qのバイアス 電圧依存性を理論的カーブで再現 できた. ダイバーター熱流束 核融合炉設計におけるダイバーター熱流束の正確な評価 ･ダイバータープラズマにおいては Ti Te となることがある 単純ボーム条件の適用が出来ない ･複数イオン種,固体表面反応,磁場の効果 etc... 複雑なので計算で精度よく推定するのは困難 直接的測定法の開発・確立 サーマルプローブ法 をダイバータープラ ズマに適用 ヘリオトロンJ (京都大学) 複合方向性プローブ(HDP)配置図 0 deg. 磁気面 #7.5 port 真空容器断面図 163.05 deg. HDP (# 7.5 ) pinは8つ 主に使うのはpin3,4,5 PFR(2007) Pin3-5 Cu 直径 4.5[mm] K型熱電対 p ピンの初期位置と回転角度制限 Cu 断面図 HDP可動方向 p p ( 5) Rp ( 215mm) Assumption 主放電時間 t が短い(≒0.1[s] )ので Y軸 半無限体平板 ･半無限体平板を仮定 ･無限小の熱パルスと仮定 熱パルス ･一次元的な熱の流れを考える TCセンサー 表面から数mm Model 1 qt T ( x, t ) T T k X軸 xtc 2 a exp (t t0 ) 4a(t t0 ) Model 1 (Infinite model) xtc 2 qt a T ( x, t ) T T exp k (t t0 ) 4a(t t0 ) Model 1 δ関数的な 熱パルス T[℃] Tmax q base line T∞ ⊿t (≒0.1[s]) t t0 tmax xtc 2 t0 2a t [s] TC信号サンプル例 (LCFS内部) ･サンプリング数は10[ms] tmax 主放電終了辺りで温度が 上昇し始める. Tmax ･TC信号が最大値に到達. その後に磁場の影響を受け 信号値がジャンプする. フィッティング例 (LCFS内部) Rp 210[mm] p 0[deg] p 0[deg] (#31582) qt 3.3J / mm2 Tmax q 33W / mm2 base line t (≒0.1[s])が分かれば,推定した qtより熱流束 qが求められる. 軸回りの熱流束分布 (LCFS内部) Rp 210[mm] p 110 ~ 10[deg] p 0[deg] NBI rev B STD(反転磁場) ne 2.0 1019 / m3 pin1 2 3 4 5 6 ・熱流束は-25°～-50°の間 -120° で 極大を取ると考えられる. ・周期性のある波形が データに見受けられる. 0° 60° 大半径方向の熱流束分布 (LCFS外部) Rp 100 ~ 150[mm] p 0[deg] p 0[deg] ECH STD(反転磁場) ne 1.01019 / m3 ダイバーターレッグの存在を 反映するような分布が計測された. 極大と極小が存在する. ヘリオトロンE での実験結果 Field line structure corresponding to the stroke of the movable probe array NF(1992) Profiles of the ion saturation current for different positions of Z 大半径方向の熱流束分布 (LCFS外部) Rp 100 ~ 150[mm] p 0[deg] p 0[deg] ECH STD(反転磁場) ne 1.01019 / m3 ダイバーターレッグの存在を 反映するような分布が計測された. 極大と極小が存在する. ダイバーターレッグの構造に 対応している. 大半径方向の熱流束分布 (LCFS外部) Rp 100 ~ 150[mm] p 0[deg] p 0[deg] ECH STD(反転磁場) ne 1.01019 / m3 20[mA] 50[mA] Te 50[eV ] 表面積 15[mm2 ] 熱伝達因子 15 50 0.001 5015 / 15 2.5[W / mm2 ] まとめ ・H-JにおけるHDPのピンが受ける, 熱流束を推定するための熱伝導モデルが構築できた. ・HDPを軸回りに回転させた際に,熱流束は イオン飽和電流と同様な180度周期のデータを示した. ・ダイバーターレッグの存在を反映するような分布図が得られた ・イオン飽和電流から予想される熱流束と,サーマルプローブ法で 測定した熱流束の値の間には矛盾はなかった. プローブの種類とその測定対象 プローブ パラメーター ラングミュア プローブ (電流) Langmuir 運動量 ( mv) Combined force-Mach-Probe Lunt エネルギー 2 2 mv ( mv) サーマルプローブ 電荷 ( Ze ) etc･･･ Te ne Vs etc・・・ Ti etc・・・ (圧力) (熱流束) Stamate 門 永岡 松浦 Te Ti ni 非定常熱伝導解析 二次元熱解析ソフトを用いて 簡単なプローブモデルを作成, 境界条件を与えて解析を行った. q 10 ~ 20[W / mm2 ] 50 50 Cu Mo 冷却ガス( N2 )を 循環させている 22 40 4 熱電対の部位は Cu シミュレーション結果 q 10[W / mm ] 2 0< t <0.1 加熱過程 0.1< t 冷却過程 t=0[s] t=0.1[s] Temperat T (K) シミュレーション結果 q 10[W / mm ] 2 0< t <0.1 加熱過程 0.1< t 冷却過程 t=0.2[s] Temperat T (K) シミュレーション結果 q 10[W / mm ] 2 0< t <0.1 加熱過程 0.1< t 冷却過程 t=0.5[s] Temperat T (K) シミュレーション結果 q 10[W / mm ] 2 0< t <0.1 加熱過程 0.1< t 冷却過程 t=1.5[s] Temperat T (K) シミュレーション比較図 #31582は10M～15M と同じ程度になった オーダーは10MW クラスで一致 フィッティング例 (LCFS内部) Rp 210[mm] p 0[deg] p 0[deg] (#31582) qt 3.3J / mm2 Tmax q 33J / mm2 base line q のオーダーは一致 ある程度の正当性が示された. シース熱伝達因子( ) プラズマ熱流束評価において次のような式が使用されている I is Q Te e 比例定数はしばしば人為的に与えられる. しかし一般的には推定の際に, 以下の要因を考慮していない場合がある バイアス電圧の効果 エネルギー反射係数 RE シース熱伝達因子( ) プラズマ熱流束評価において次のような式が使用されている I is Q Te e 比例定数はしばしば人為的に与えられる. しかし一般的には推定の際に, 以下の要因を考慮していない場合がある バイアス電圧の効果 エネルギー反射係数 RE