JPH04258789A - 核融合装置における磁場測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置における磁
場測定方法に係り、特に、準定常運転を行っている状態
下で、プラズマ周辺の磁場や磁束を高い精度で測定でき
る磁場測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合炉を運転するに当っては、炉心プ
ラズマの水平・垂直方向の位置やプラズマの断面形状を
決定するために、プラズマ周辺の磁場や磁束を正確に測
定する必要がある。たとえば、国際協力で現在計画中の
トカマク型の熱核融合実験炉においては、プラズマを１
ｃｍオーダーの精度で制御するために、プラズマ周辺の
磁場もしくは磁束を１０−４程度の精度で測定する必要
があるとされている。

【０００３】ところで、プラズマ周辺の磁場を測定する
には、通常、プラズマ周辺にコイル素子やトーラスに沿
う一周ループなどの、いわゆる誘導的磁場測定器を配置
するようにしている。コイル素子やループの出力は、そ
れらを通過する磁束の時間変化に比例する。したがって
、これらの出力をアナログ回路を用いて積分したり、あ
るいはディジタル化した後に数値積分したりすることに
よって磁束（あるいは誘導的磁場測定器が設置されてい
る位置の平均磁場）を知ることができる。

【０００４】しかしながら、積分器やデジタイザーでは
オフセット電圧の存在が避けられない。このため、オフ
セット電圧による積分誤差が問題となる。この誤差は一
般に積分時間が長くなるほど大きくなる。

【０００５】このオフセット電圧による積分誤差につい
て、図６を参照しながら説明する。この例はコイル素子
を使ってプラズマ電流を測定した場合であり、同図（ａ
）は真のプラズマ電流の時間変化を示し、同図（ｂ）は
プラズマ電流測定用コイル素子の出力信号を示し、同図
（ｃ）はコイル素子の出力信号を積分して得られたプラ
ズマ電流の測定値を示している。

【０００６】図６（ｂ）に示すように、プラズマ電流の
立ち上げ時の出力信号をＶＯ　、オフセット電圧をＶＯ
ＦＦ　、プラズマ電流の立ち上げ時間をτ、放電開始か
らフラット・トップ終了までの時間をＴとすると、その
ときの積分誤差はおおよそ、 ＶＯＦＦ　・Ｔ／（ＶＯ　・τ） となる。ここで、Ｔ／τが約１０であるとすると、測定
誤差を０．０１％に抑えるためには、ＶＯ　／ＶＯＦＦ
　が１０５　以上でなければならない。すなわち、ＶＯ
　を１Ｖとすると、オフセット電圧を０．０１ｍＶ以下
にしなければならない。このようにオフセット電圧を小
さくすることは実際問題として非常に困難である。

【０００７】オフセット電圧が既知で、時間的に一定で
あれば、これを補正することは容易である。しかし、オ
フセット電圧は周辺温度の変化により変動（温度ドリフ
ト）するため、これを補正することは困難である。また
、核融合炉の設計例によっては、Ｔ／τが１０より非常
に大きくもなるし、準定常運転時には必然的にＴ／τが
極めて大きな値となる。したがって、このような核融合
炉の場合には、積分器のドリフト誤差を無視できなくな
り、結局、誘導的磁場測定器を用いた磁場測定方法では
必要な測定精度が得られないことになる。

【０００８】そこで、このような不具合を解決する方法
として、積分操作を必要としない測定器、たとえばホー
ル素子などの半導体素子や光ファイバ磁気センサなどの
、いわゆる直接的磁場測定器を用いることが考えられる
。

【０００９】しかし、上記のような直接的磁場測定器は
、一般に放射線に弱く、核燃焼を行うようなプラズマの
周辺に設置することができない。したがって、これらの
直接的磁場測定器を用いる場合には、真空容器の外側の
プラズマから離れた位置に十分な遮蔽を施した状態で設
置しなければならない。準定常運転を行う核融合炉では
真空容器内にブランケット等が設置されるので、プラズ
マ表面と真空容器との間にはかなりの距離がある。この
ため、直接的磁場測定器を用いる場合には、プラズマ表
面から測定器まで距離がプラズマ小半径と同程度、ある
いはそれ以上となり、これが原因して精度の高い測定が
困難となる。

【００１０】なお、直接的磁場測定器には、上述のもの
のほかに、回転プローブや振動プローブなどのように、
放射線に強いものが考えられているが、これらには種々
の問題があるため、当面は使用できない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、準定常運
転を行う核融合装置において、プラズマ周辺の磁場を誘
導的磁場測定器を使って測定すると、積分器のドリフト
誤差によって精度の高い測定が行えず、また直接的磁場
測定器を使って測定すると、プラズマ表面から遠く離れ
た位置に設置しなければならないため、やはり精度の高
い測定が行えない問題があった。

【００１２】そこで本発明は、特に、準定常運転を行っ
ている核融合装置の場合であっても、プラズマ周辺部の
磁場および磁束を必要な精度で測定できる核融合装置に
おける磁場測定方法を提供することを目的としている。

【００１３】［発明の構成］

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る磁場測定方法では、放射線には強いが
ドリフトの問題がある誘導的磁場測定器をプラズマの位
置や断面形状の測定・制御のために必要十分な距離だけ
プラズマに近付けて配置し、またドリフトの問題はない
が放射線には弱い直接的磁場測定器を放射線による損傷
を避け得る程度にプラズマから離れた場所に十分な遮蔽
を施して配置し、この直接的磁場測定器で測定された磁
場の値から誘導的磁場測定器の設置位置における磁場お
よび磁束を推定し、この推定値で誘導的磁場測定器で測
定された磁場を較正するようにしている。

【００１５】

【作用】図１には本発明に係る磁場測定方法を説明する
ための概念図が示されている。図中１は大円の中心がＰ
で示す位置にあるトーラス状の真空容器を示し、２は真
空容器１内に閉じ込められたプラズマを示している。３
は真空容器１の内側でプラズマ２の近傍に配置されたコ
イル素子等からなる誘導的磁場測定器を示し、４は真空
容器１の外側に配置されたホール素子等からなる直接的
磁場測定器を示している。

【００１６】誘導的磁場測定器３は放射線には強いがド
リフト誤差の問題があり、一方、直接的磁場測定器４は
ドリフト誤差の問題はないが放射線に弱い問題がある。

【００１７】誘導的磁場測定器３の出力信号は積分器５
で積分される。この積分器５の出力にはオフセット電圧
による積分誤差が含まれている。この積分誤差は時間の
経過とともに増加するので、一定時間毎に積分器５をリ
セットする必要がある。このとき、誘導的磁場測定器３
の設置位置における正しい磁場の値を知る必要がある。

【００１８】そこで、リセットが行われる期間内に直接
的磁場測定器４で測定された磁場から磁束や磁場を外挿
するアルゴリズムを持った計算機６で誘導的磁場測定器
３の設置位置における磁場を計算する。この計算結果を
リセット時点で較正装置７に導入し、リセット時点に誘
導的磁場測定器３で測定された磁場を較正する。そして
、較正された磁場の値をプラズマ計測・制御系８に与え
る。なお、積分器５は、リセットされると、リセット直
後の値を初期値として再び積分を行い、誘導的磁場測定
器３を用いた磁場の測定を継続させる。

【００１９】このように、本発明方法では、プラズマの
位置・断面形状の測定には放射線に強いコイル素子等か
らなる誘導的磁場測定器３を用い、そのドリフト誤差補
正用に直接磁場測定器４を用いるという方式を採用して
いる。

【００２０】真空容器１の外側に設置された直接的磁場
測定器４によって測定された磁場の測定値から真空容器
１の内側に設置された誘導的磁場測定器３の設置位置に
おける磁場および磁束をプラズマ制御に必要とされる程
度の精度で推定するためのアルゴリズムとしては以下の
ような種々の方法が考えられる。

【００２１】すなわち、磁束の外挿法としては、図７の
（ａ）に示すように、フラックス・ループの信号および
磁気プローブの信号を用いてティラー展開の手法で外挿
する方法がある。図７（ａ）中の１２で示す位置に置か
れたフラックス・ループの信号を積分することによって
、その位置でのポロイダル・フラックスを知ることがで
きる。このとき、推定しようとしている磁気面１３上の
磁束ψｉ　は、

【００２２】

【数１】 で近似される。ここで、Ｒｉ　はループの半径、ｄｉ　
はループの位置から磁気面１３までの距離、右辺第３項
は渦電流の補正項である。Ｂｉ　はループ近くの磁気プ
ローブで検出するか、図７（ｂ）に示すように、２本の
ループを用いて、

【００２３】

【数２】 から求める。

【００２４】上述のψの１次の微係数（すなわち磁場の
値）を利用した外挿では精度が極めて悪い。したがって
、実際には磁場の勾配も測定して２次の外挿を行う。 この外挿方法では、ｄｉ　が短い場合にはよいが、ｄｉ
　がプラズマ小半径の１割程度より長い場合には必要な
精度が得られない。このティラー展開を用いた方法は、
純粋に数学的な方法であり、外挿する対象が真空磁場で
あるという物理的事実を利用していない。

【００２５】しかし、トーラス状のプラズマの力の釣り
合いを記述する方程式の真空解の固有関数展開を用いた
り、磁場の多重極展開を用いたりすると、真空磁場をよ
く近似することができるので、これらの情報を外挿に利
用すれば精度を上げることができる。

【００２６】そこで、本発明方法では磁場の外挿にフイ
ラメント法を用いている。フイラメント法は、プラズマ
電流を数本から数１０本の電流値が未知で、位置が固定
された仮想的なフイラメントに置換え、測定磁場を与え
るようなフイラメント電流を決める方法である。これに
はプラズマ電流ＩＰ　は他の方法で測定されていて既知
であるとし、フイラメント電流の総和がＩＰ　に等しい
とする条件付き最小２乗法を用いる方法と、プラズマ電
流も未知として測定磁場だけで計算する方法とがある。 これらの方法により、磁場の測定値を良い精度で与える
ような真空磁場を再構成することができる。再構成され
た磁場はプラズマ領域では元の磁場と全く異なるが、プ
ラズマから十分に離れた真空領域では元の磁場を良く近
似し、結果的に測定位置よりプラズマに近い位置での磁
場を推定することができる。

【００２７】フイラメント法は、現在の実験装置でもプ
ラズマの位置・断面形状の測定に用いられている。本発
明方法では、直接的磁場測定器４で測定された磁場を用
い、この測定器４より０．５　〜１　ｍ内側に配置され
ている誘導的磁場測定器３の位置での磁場および磁束を
精度良く推定するために用いている。

【００２８】本発明測定方法では、核燃焼を行うような
装置であっても、プラズマから離れた直接磁場測定器で
測定された磁場の測定値からプラズマに近い誘導的磁場
測定器の設置位置での磁場を精度良く推定でき、これに
基いて誘導的磁場測定器の信号を較正できる。したがっ
て、プラズマの位置や断面形状の正確な測定ならびに制
御に寄与できることになる。

【００２９】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明方法の一実
施形態を説明する。

【００３０】図２にはプラズマ平衡の数値計算例が示さ
れており、ここにはポロイダル磁束の等位面が示されて
いる。

【００３１】図中、斜線は真空容器２１の断面を示し、
四角は外部磁場コイル２２の位置を示し、真空容器２１
の外側の黒丸２３はホール素子で代表される直接的磁場
測定器を示し、真空容器２１の内側の黒丸２４はコイル
素子等で構成された誘導的磁場測定器を示し、中心部の
白丸２５は仮想的なフイラメントの位置を示している。

【００３２】この例では、このプラズマ平衡において直
接的磁場測定器２３で測定された磁場を用いてフイラメ
ント法により誘導的磁場測定器２４の設置場所での磁場
を推定している。実運転時には、図１において説明した
ように、推定された磁場によって誘導的磁場測定器２４
で測定された磁場が較正される。

【００３３】図３にはフイラメント法を用いて直接的磁
場測定器２３の位置で測定された磁場から再現されたポ
ロイダル磁束が示されている。この場合、プラズマ電流
ＩＰ　は既知であるとした。また、直接的磁場測定器２
３としてホール素子を用い、このホール素子は１０個設
けられている。また、仮想的なフイラメントの本数は１
０本である。

【００３４】この図から判るように、プラズマ領域（真
空容器２１中心部）の磁場は離散的なフイラメント電流
の影響で正しく再現されていないが、誘導的磁場測定器
２４の位置ではほぼ正確に磁場が再現されている。

【００３５】図４には、このときの誘導的磁場測定器２
４の設置位置（真空容器２１の内側表面と仮定、直接的
磁場測定器２３より０．５　ｍ内側）における真の磁場
（図２）と推定磁場（図３）との差の最大値を百分率で
表したものが示されている。縦軸は、ＢＲが磁場のＲ成
分、ＢＺが磁場のＺ成分、ＰＳＩが磁束を表し、横軸は
直接的磁場測定器（ホール素子）２３の個数を表してい
る。 ホール素子の個数が多いほど、磁場および磁束の推定誤
差が小さくなる様子が判る。図４より２６個のホール素
子を用いて、磁束を０．００７　％の精度で０．５　ｍ
内側まで外挿するすることが可能であることが判る。絶
対値の誤差は０．００２　Ｗｂ以下である（総磁束が略
１３０　Ｖ・ｓ）。また、磁場の相対誤差は０．０２〜
０．０３％である。これらの誤差は準定常運転を行う装
置で予想されるオフセット誤差より十分小さいことは勿
論のこと、プラズマの制御において十分な精度であると
考えられる。

【００３６】図５には本発明方法をプラズマ電流の測定
に応用した例が示されており、ここにはフイラメント法
によって推定されたプラズマ電流ＩＰ　の推定誤差が示
されている。この図から、直接的磁場測定器（ホール素
子）２３のみで１０−４以上の精度で測定できることが
判る。これは絶対磁束を求めるための参照ループを必要
としないことを意味しており、この点でも本発明方法は
有用である。プラズマ電流を既知としないで、推定され
たプラズマ電流の値を用いて誘導的磁場測定器２４の設
置位置における磁場および磁束を推定すると、推定誤差
は１割程度悪くなるが、磁束については十分必要な精度
が得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
真空装置の外側に配置された直接的磁場測定器によって
測定された磁場の値から真空容器内側に設置されたピッ
クアップ・コイルやフラックス・ループなどの誘導的磁
場測定器の位置における磁場および磁束をプラズマ制御
に必要とされる程度の精度で推定することができる。し
たがって、誘導的磁場測定器の出力を較正したり、積分
器のドリフト誤差を補正することができる。また、直接
的磁場測定器のみでプラズマ電流を測定することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明測定方法を説明するための概念図。

【図２】　　推定対象とするプラズマの平衡の例を示す
図。

【図３】　　本発明測定方法によって再構成された等磁
束面を示す図。

【図４】　　磁場および磁束の推定精度のホール素子個
数に対する依存性を示す図。

【図５】　　プラズマ電流の推定精度のホール素子個数
に対する依存性を示す図。

【図６】　　プラズマ電流の測定における積分誤差を説
明するための概念図。

【図７】　　従来の磁束外挿法を説明するための図。

【符号の説明】

１，２１…真空容器、２…プラズマ、３，２４…コイル
素子等の誘導的磁場測定器、４，２３…ホール素子等の
直接的磁場測定器、５…積分器、６…計算機、７…較正
装置、８…プラズマ・計測制御系、２２…外部磁場コイ
ル、２５…仮想フイラメント。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　核融合装置において、プラズマ周辺の
   磁場を測定するに当り、プラズマの近傍に配置されたコ
   イル素子などからなる誘導的磁場測定器とプラズマから
   離れた位置に配置されたホール素子などからなる直接的
   磁場測定器とを組み合わせて測定精度を向上させるよう
   にしたことを特徴とする核融合装置における磁場測定方
   法。
2. 【請求項２】　　前記直接的磁場測定器によって測定さ
   れた磁場からフイラメント法を用いて前記誘導的磁場測
   定器が設置されている位置における磁場と磁束とを推定
   し、この推定値で上記誘導的磁場測定器で測定された磁
   場を較正あるいは補正することを特徴とする請求項１に
   記載の核融合装置における磁場測定方法。
3. 【請求項３】　　前記直接的磁場測定器は、フイラメン
   ト法を用いたプラズマ電流の測定にも供されることを特
   徴とする核融合装置における磁場測定方法。