熱機関としてのプラズマ自発回転

Report
熱機関としてのプラズマ自発回転
小菅佑輔
九州大学 高等研究院
九州大学 応用力学研究所
Y. Kosuga, P.H. Dimond, O.D. Gurcan, Phys. Plasmas 17 102313 (2010)
Refs:
J.E. Rice, et al. Phys. Rev. Lett. 106 215001 (2011)
P.H. Diamond, et al. Nucl. Fusion 53 104019 (2013)
自己紹介
学部 (2003-2007) 京都大学工学部物理工学科 卒論指導教官 福山先生
大学院 (2007-2012) カリフォルニア大学サンディエゴ校物理学科 指導教官 P.H. Diamond
ポスドク (2012) NFRI WCI Center for Fusion Theory, 韓国
九州大学 (2013~) 高等研究院 テニュアトラック助教 メンター 伊藤早苗先生
アウトライン
1. 熱機関としてのプラズマ自発回転
1-1. 自発回転、残留応力、自発トルクの紹介
1-2. 熱機関としてのプラズマ自発回転
1-3. 今後の課題
2. 海外での学生•研究生活
自発回転とは
→ 明らかな運動量源がないときに、熱入力によって駆動される回転
太陽の差動回転
金星のスーパー
ローテーション
トカマクの自発回転
太陽とトカマクの自発回転:比較
太陽の差動回転
太陽中心での核融合 → 熱流束
+ 回転、成層、太陽風
結果 → 歳差運動
トカマクの自発回転
核融合(挑戦中)→ 外部熱入力
+ 磁場、径分布、SOL
結果 → 自発回転
太陽とトカマクの自発回転:比較
回転分布はどう決まるのか?
のモデル化 → 輸送係数と平均量
両者の違い: フィードバックは無視 v.s. 「流れ」から「乱流」へのフィードバック
核融合におけるトロイダル回転
MHD安定性、フィードバックによる閉じ込め改善
簡単な歴史
NBIによる補助加熱
→ 運動量の異常輸送
イオン熱輸送とトロイダル運動量輸送
’90 TFTR
入力方向による違い
2M, Ctr NBI + peaking (’92)
off-diagonal の発見 (’95)
からのずれ、自発回転の発見
’99 ICRFによるRotation, ’04 Peaked profile in C-mod
’06 JT-60 ECH, Pr not O(1), ’07 Rice scaling, ...
ITERでは自発回転に期待
簡単な歴史(トロイダル回転)
実験
運動量
輸送
〜’78 Ohmic plasma での回転
’90 Pr ~ O(1)
’92 Ctr NBIと密度尖鋭化
***
理論
’88 Pr ~ O(1) in NBI heated plasmas
’90 Erと密度ピンチ
向き
’95 Off-Diagonal
’99 ICRFによるRotation
’04 Peaked profile in C-mod
自発
回転
’06 Reversal in TCV
’06 JT-60 ECH, Pr not O(1)
’07 ‘Rice Scaling’
’07 Solomon Cancellation
’07 DIII-D ECH
’07 TEP Pinch
’07 Colioris Pinch
’07 Sym. Breaking by E_r’
’08 Wave driven residual
’11 IR in I-mode, driving gradient
’11 Ohmic Reversal in C-mod
’10 Sym. Breaking by I’
’12 Pinch OV
’13 Intrinsic Torque OV
Selected Phenomenology of Intrinsic Torque
特徴的なスケーリング
I-mode
Rice ’07
Ida ’98
’10 LHD, ITB
自発トルク、残留応力
自発トルクの実証
Solomon ’07
residual stress (残留応力)
Y. Xu ’13, TEXTOR
自発回転のモデリング
トロイダル運動量束:
Reynolds応力:
乱流粘性
運動量ピンチ
残留応力
(residual stress)
TEP (toroidal origin)
drive
(c.f. Yoon + Hahm)
正味の流れ(積分値):
に比例しない項
drive
径方向の非一様性からくる自由エネル
ギーをトロイダル回転に変換
Physics of Symmetry Breaking Mechanisms
Basic Physics of Symmetry Breaking
トカマク
星の回転
ダイナモ
運動量束
運動量束
起電力
自発トルク
効果
効果
残留応力
anisotropic
効果 (AKA)
ヘリシティー
磁気ヘリシティー
対称性
鏡映対称性
鏡映対称性
熱機関としてのプラズマ自発回転
“We must attribute to heat the great movements that we
observe all about us on the Earth. Heat is the cause of
currents in the atmosphere, of the rising motion of clouds, of
the falling of rain and of other atmospheric phenomena ...’’
-S. Carnot
→ 熱の運動への変換:熱機関
→ 熱機関としてのプラズマ自発回転生成過程?
トカマク熱機関の概念図:
トカマク熱機関の定量化
→ 揺動エントロピー発展
自発回転の生成効率
定義:
平衡熱力学 → 非平衡熱力学 → 遠非平衡熱力学
通常のカルノーサイクルでの効率:
ここでの定義→ エントロピー生成、消滅
エントロピー発展:
熱由来、原因
回転、結果
トロイダル回転の生成効率
生成効率:
エントロピー発展
ITG乱流でのエントロピー方程式
衝突減衰
生成率
→ エントロピー生成量の形、
勾配x輸送束
正定値、緩和によるエントロピー生成
負定値、流れ生成によるエントロピー減少
生成率
熱緩和
→ ともにエントロピーを生成する
粘性摩擦
生成率
帯状流の生成
構造の生成→ エントロピーの減少
トカマク熱機関の流れ生成効率:
自発回転の駆動
Residual Modeling
径電場による対称性の破れ
(Gurcan ’07)
波の運動量輸送
残留応力
(Diamond ’08)
(Kosuga ’10)
解析結果:残留応力
W.X. Wang, et. al. ’10
→ GTS
→
駆動
→ 磁場形状依存
Y. Xu ’13 (exp)
Kwon, NF ’11
解析結果:生成効率
assumed
実験スケーリングとの比較
-
scaling
→ H-/I- mode での
温度依存
-
scaling
→ unfavorable な電流
スケーリング:
→ 電流スケーリングの出所?
解析結果:Mach数
- トロイダル流の直接評価
Integrating
- 定性的な振舞
gives
- 定量的な比較 J. Rice, et. al. PRL ’11
(理論)
(実験)
温度、磁場形状
→ JFT-2M ’98, C-Mod I/H-mode
今後の課題
- 境界の問題 (SOL流との結合、正味の回転)
自発回転 → 境界から蓄積
トカマク熱機関 → 境界からエントロピーを放出
境界での残留応力と境界を横切るエントロピー流???
- 電子加熱プラズマでの自発回転 (オーミック反転、ECH Plasma)
ITG + TEM, 2 fuels への拡張
など
まとめと今後の課
題
自発回転の観測と駆動のモデリング
太陽の歳差運動、トカマクのトロイダル回転
対称性の破れによる、残留応力による駆動
熱機関としてのプラズマ自発回転
エントロピーを用いた定式化、生成率の評価
定性的、定量的一致(特にRice scaling)
今後の課題
境界の問題 (SOL流との結合、正味の回転)
境界での残留応力
境界を横切るエントロピー流
電子加熱プラズマでの自発回転 (オーミック反転、ECH Plasma)
ITG + TEM, 2 fuels への拡張
海外での学生•研究生活
アメリカ University of California, San Diego で Ph.D.
韓国 WCI Center for Fusion Theory, NFRI, でポスドク
動機
挑戦的な事がしたかった
みんな修士にそのまま進む、それでいいのか
他の人と違う事をしないと勝てない
英語がうまくなりたかった
渡米前 TOEIC 830、それでもまだまだだった
研究:プラズマの理論(帯状流)が学びたい
財政援助が魅力的
授業料免除、生活費支給(保険料と給料)
アメリカ大学院生活
1年目 → 研究はほぼしない、基礎力養成
授業:力学、電磁気学、物理数学、量子力学、統計物理
3科目履修、一科目に付き 80 mins × twice/week
宿題、中間テスト、期末テスト → ある程度の成績が必要、下回ったら退学
年度末に Qualifying Exam, 2回落ちたら退学
`governator’
Qualifying に受かったら修士がもらえる!
→ 州知事のサイン付き
TA → 学部生の実験の手伝い、レポートの採点
英語のよい練習、しゃべれなかったら何ともならない、評価でむちゃくちゃ書かれる
アメリカ大学院生活
2年目 → advanced course のかたわら、研究を徐々に始める
授業:
研究:
Plasma Physics, Non-equilibrium
statistical mechanics, QFT, など
充実した内容:
unmagnetized plasma
→ 80 mins × 20回
magnetized plasma (MHD)
→ 80 mins × 20回
Fusion
→ 80 mins × 10回 or 20 回
帯状流とドリフト波の運動量定理のKH不安
定性への応用
TTF meeting で初めてのポスター発表
アメリカ大学院生活
3年目以降:研究、発表、武者修行、いろんな経験をした
fall
3年目
運動量定理と運
動論的プラズマ
APS Atlanta
APS Chicago
4年目
spring
winter
Candidacy Exam
→ ABD
熱機関としての自発回転
Toki
JIFT
韓国に研究留学
Jan. → Dec.
Riceと共同研究
共鳴由来のホールと帯状流
5年目
JIFT Kyoto
TTF 初 oral
Le Houches
TTF oral
summer
6週間のsummer
school @ Santa Cruz
Engine paper
Festival de Theorie
APTWG
共鳴が強い乱流と帯状流
韓国でポスドク始める
Defense
UCSDに戻る
TTF oral
韓国でのポスドク
NFRI, Daejeon, Korea
構成:韓国5人 外国8人(日本2、中国4、フランス1、アメリカ1)
世界トップレベル研究拠点プログラム(WPI) と同様のもの (東大IPMUなど)
研究漬けの生活 (それしかない環境)
アメリカの集大成 → IAEA 2012
新しい研究テーマ:非局所輸送と熱渋滞の理論
最後に:海外研究生活のすすめ
若いときがチャンスでは?
いろんな形態:
短期訪問 〜 a few weeks – a few months
Summer school → fellowship を使ったプログラムなど
WHOI, ISIMA
学位取得を目指した留学
ポスドク
一歩踏み出してみませんか?
修士を終えてから大学院に行く人も多数(アジア系)

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