JPH11295457A - プラズマ平衡磁場解析方法およびそれを用いた磁場制御装置 - Google Patents
プラズマ平衡磁場解析方法およびそれを用いた磁場制御装置Info
- Publication number
- JPH11295457A JPH11295457A JP10104340A JP10434098A JPH11295457A JP H11295457 A JPH11295457 A JP H11295457A JP 10104340 A JP10104340 A JP 10104340A JP 10434098 A JP10434098 A JP 10434098A JP H11295457 A JPH11295457 A JP H11295457A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic field
- plasma
- ferromagnet
- magnetic
- magnetization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】強磁性体が作る磁場も含めてポロイダル磁場分
布を把握し、磁場制御に利用する。 【解決手段】強磁性体の表裏に配置した磁気センサーを
持ち、ポロイダル磁場コイル電流・プラズマ電流・渦電
流とともに強磁性体の表面の磁化電流を計測磁場を元に
決定して、この決定した電流値によりポロイダル断面全
体での磁場分布を再構成する。
布を把握し、磁場制御に利用する。 【解決手段】強磁性体の表裏に配置した磁気センサーを
持ち、ポロイダル磁場コイル電流・プラズマ電流・渦電
流とともに強磁性体の表面の磁化電流を計測磁場を元に
決定して、この決定した電流値によりポロイダル断面全
体での磁場分布を再構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体の構造物
を有する核融合装置のプラズマ平衡磁場を解析する方法
に関する。
を有する核融合装置のプラズマ平衡磁場を解析する方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】核融合装置では希薄水素ガスをドーナツ
状の真空容器に入れ、そのガスに電流（プラズマ電流）
を流し水素ガスを高温のプラズマにする。このプラズマ
中で核融合反応を起こしエネルギーを発生させる。プラ
ズマは磁場により真空容器の壁からは隔離されている
が、時にプラズマが不安定となり直接真空容器壁に接
し、急消滅することもある。このようなプラズマの不安
定性を抑制するには、プラズマ周囲の平衡磁場を安定に
制御し、プラズマ位置・断面形状を一定に保つ必要があ
る。この結果プラズマが真空容器壁等の構造材に衝突す
ることが無くなり、ディスラプションをさけることがで
きる。プラズマ位置・断面形状を一定に保つにはまずプ
ラズマ周囲のポロイダル磁場配位を精度よく把握する必
要がある。この方法としてたとえば参考文献“Magnetic
field analysis during breakdownphase in the low l
oop resistance tokamak HT−2"（M. Abe， et al.，
J. ofPlasma and Fusion Res. 70(1994）p.671.）にも
説明されている磁場近似法がある。これは、図２に示し
たアルゴリズムでポロイダル断面での磁場分布を計測磁
場データを元に再現するものである。磁場を計測して、
その磁場を計算で再現するようにコイルや渦電流，プラ
ズマ電流（分布を含めて）の電流値を決定する。図２中
の残差二乗和χに関する式を最小にするように電流値を
決める。この式でσｉはｉ番目の計測センサーに対する
計測誤差の大きさである。
状の真空容器に入れ、そのガスに電流（プラズマ電流）
を流し水素ガスを高温のプラズマにする。このプラズマ
中で核融合反応を起こしエネルギーを発生させる。プラ
ズマは磁場により真空容器の壁からは隔離されている
が、時にプラズマが不安定となり直接真空容器壁に接
し、急消滅することもある。このようなプラズマの不安
定性を抑制するには、プラズマ周囲の平衡磁場を安定に
制御し、プラズマ位置・断面形状を一定に保つ必要があ
る。この結果プラズマが真空容器壁等の構造材に衝突す
ることが無くなり、ディスラプションをさけることがで
きる。プラズマ位置・断面形状を一定に保つにはまずプ
ラズマ周囲のポロイダル磁場配位を精度よく把握する必
要がある。この方法としてたとえば参考文献“Magnetic
field analysis during breakdownphase in the low l
oop resistance tokamak HT−2"（M. Abe， et al.，
J. ofPlasma and Fusion Res. 70(1994）p.671.）にも
説明されている磁場近似法がある。これは、図２に示し
たアルゴリズムでポロイダル断面での磁場分布を計測磁
場データを元に再現するものである。磁場を計測して、
その磁場を計算で再現するようにコイルや渦電流，プラ
ズマ電流（分布を含めて）の電流値を決定する。図２中
の残差二乗和χに関する式を最小にするように電流値を
決める。この式でσｉはｉ番目の計測センサーに対する
計測誤差の大きさである。
【０００３】従来のトカマク装置には磁場を発生する電
流として、ポロイダル磁場コイル２（ＰＦＣ）電流Ic
i，プラズマ電流１１（分布）Ipi，渦電流分布Iei 等が
ある。この電流値（分布を含む）を計測磁場を再現する
ように最小２乗法で決定し、決定した電流値を元にポロ
イダル断面全体で磁場分布を計算する。そして磁場分布
を把握できると、その最外殻磁気面をプラズマの表面で
あると決定できる。そのために、図３に示すように磁気
センサー１をプラズマ周囲に配置していた。
流として、ポロイダル磁場コイル２（ＰＦＣ）電流Ic
i，プラズマ電流１１（分布）Ipi，渦電流分布Iei 等が
ある。この電流値（分布を含む）を計測磁場を再現する
ように最小２乗法で決定し、決定した電流値を元にポロ
イダル断面全体で磁場分布を計算する。そして磁場分布
を把握できると、その最外殻磁気面をプラズマの表面で
あると決定できる。そのために、図３に示すように磁気
センサー１をプラズマ周囲に配置していた。
【０００４】一方、従来の核融合装置材料としては意図
しない磁場を発生しない材料として非磁性材料が用いら
れてきた。例えば、ＳＳ３０４等のステンレス鋼であ
る。非磁性の材料で製作された核融合装置であれば上記
図２の方法で十分であった。しかし、将来の核融合装置
では耐放射線性の優れたフェライト鋼が用いられると考
えられている。フェライト鋼は強磁性体であり、磁化に
より意図しない磁場が発生することが欠点とされて、こ
れまで使用されなかった。しかし、近年電子計算機の発
達により数値計算から強磁性体による磁場も精度よく把
握できるようになり、将来の核融合装置では積極的に利
用する方向に考えが変わってきた。
しない磁場を発生しない材料として非磁性材料が用いら
れてきた。例えば、ＳＳ３０４等のステンレス鋼であ
る。非磁性の材料で製作された核融合装置であれば上記
図２の方法で十分であった。しかし、将来の核融合装置
では耐放射線性の優れたフェライト鋼が用いられると考
えられている。フェライト鋼は強磁性体であり、磁化に
より意図しない磁場が発生することが欠点とされて、こ
れまで使用されなかった。しかし、近年電子計算機の発
達により数値計算から強磁性体による磁場も精度よく把
握できるようになり、将来の核融合装置では積極的に利
用する方向に考えが変わってきた。
【０００５】しかし、磁場制御の観点からは簡易な方法
で精度よくポロイダル磁場分布を把握する必要がある。
で精度よくポロイダル磁場分布を把握する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】強磁性体を核融合装置
に用いた場合、強磁性体中には磁化Ｍが発生し、磁束Ｂ
は強磁性体中でこの分増加する。磁力線に沿ってこの強
磁性体の構造が不連続になった部分では、強い強磁性体
中の磁場がプラズマ領域に漏れてくる事になる。これが
プラズマに影響を与える。つまりポロイダル断面に磁力
線を投影し、この磁力線が強磁性体表面と交わるような
構造になっておれば、強磁性体の作るポロイダル磁場が
無視できなくなると考えられる。本発明ではこのポロイ
ダル磁場を把握し、プラズマ周囲を含めたプラズマ領域
の磁場分布を計算による再現する手法を提供し、精度良
いプラズマ位置断面形状制御装置を提供するものであ
る。
に用いた場合、強磁性体中には磁化Ｍが発生し、磁束Ｂ
は強磁性体中でこの分増加する。磁力線に沿ってこの強
磁性体の構造が不連続になった部分では、強い強磁性体
中の磁場がプラズマ領域に漏れてくる事になる。これが
プラズマに影響を与える。つまりポロイダル断面に磁力
線を投影し、この磁力線が強磁性体表面と交わるような
構造になっておれば、強磁性体の作るポロイダル磁場が
無視できなくなると考えられる。本発明ではこのポロイ
ダル磁場を把握し、プラズマ周囲を含めたプラズマ領域
の磁場分布を計算による再現する手法を提供し、精度良
いプラズマ位置断面形状制御装置を提供するものであ
る。
【０００７】強磁性体の面が磁力線に沿って配置されて
いれば強磁性体による磁場は小さいが、実際にはプラズ
マ自身のパラメータ変化などで位置や断面形状が変動し
て、常に強磁性体表面が磁力線に沿う条件に保つことは
難しい。このため、やはり強磁性体によるポロイダル磁
場を精度良く把握する必要性は大きい。
いれば強磁性体による磁場は小さいが、実際にはプラズ
マ自身のパラメータ変化などで位置や断面形状が変動し
て、常に強磁性体表面が磁力線に沿う条件に保つことは
難しい。このため、やはり強磁性体によるポロイダル磁
場を精度良く把握する必要性は大きい。
【０００８】本発明の目的は、強磁性体が作る磁場も含
めてポロイダル磁場分布を把握し、磁場制御に利用する
ことである。
めてポロイダル磁場分布を把握し、磁場制御に利用する
ことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】核融合装置でプラズマに
影響を与える構造材としてフェライト鋼が使われる部分
は真空容器である。真空容器は核融合反応が起こるプラ
ズマを内部に保持するので最も耐放射線性が要求され
る。このためフェライト鋼が使われると考えられる。こ
の場合にはプラズマの小半径に比べて薄い厚さのフェラ
イト鋼の層がプラズマを取り囲んで存在することにな
る。
影響を与える構造材としてフェライト鋼が使われる部分
は真空容器である。真空容器は核融合反応が起こるプラ
ズマを内部に保持するので最も耐放射線性が要求され
る。このためフェライト鋼が使われると考えられる。こ
の場合にはプラズマの小半径に比べて薄い厚さのフェラ
イト鋼の層がプラズマを取り囲んで存在することにな
る。
【００１０】強磁性体中の磁場Ｂは Ｂ＝μOH＋Ｍ …（１） である。ここでＭは磁化である。強磁性体中では、 ▽×Ｍ＝μ0 ｊＭ …（２） である。強磁性体の外ではＭ＝０であるので、強磁性体
の表面にｊＭが局在していると理解できる。ここでＢ，
Ｍ，Ｈ，ｊＭは全てベクトルである。つまり、強磁性体
の磁場は、特に薄板の場合、表面に局在した磁化電流ｊ
Ｍにより発生していると解釈できる。
の表面にｊＭが局在していると理解できる。ここでＢ，
Ｍ，Ｈ，ｊＭは全てベクトルである。つまり、強磁性体
の磁場は、特に薄板の場合、表面に局在した磁化電流ｊ
Ｍにより発生していると解釈できる。
【００１１】これまで真空容器に流れる渦電流は、真空
容器壁に電流が流れる薄膜を仮定して磁場分布を再現し
てきた。磁化電流も同じ考えで表現できる。つまり、強
磁性体板の表面に磁化電流の薄膜を配置して渦電流と同
じ取り扱いで磁場を再現できると考えられる。ただし、
磁化電流は表裏２面に流れているので、渦電流と異な
り、２面の磁化電流の層を仮定して、磁場近似を行うこ
とになる。つまり、計測磁場を元に再現する電流（分
布）に強磁性体の表面磁化電流も加える。この結果、磁
化により発生する磁場を加えてポロイダル磁場分布を再
現できることになる。
容器壁に電流が流れる薄膜を仮定して磁場分布を再現し
てきた。磁化電流も同じ考えで表現できる。つまり、強
磁性体板の表面に磁化電流の薄膜を配置して渦電流と同
じ取り扱いで磁場を再現できると考えられる。ただし、
磁化電流は表裏２面に流れているので、渦電流と異な
り、２面の磁化電流の層を仮定して、磁場近似を行うこ
とになる。つまり、計測磁場を元に再現する電流（分
布）に強磁性体の表面磁化電流も加える。この結果、磁
化により発生する磁場を加えてポロイダル磁場分布を再
現できることになる。
【００１２】表面に磁化電流を加えると、磁化電流に挟
まれた領域、つまり強磁性体の内部の領域で（１）式の
磁化を含めた磁場Ｂを再現できる。また表面磁化電流の
面に沿った変化は磁束が強磁性体から出入りする点を表
現できる。また表裏で電流密度が異なることを許容して
磁場近似を行えば、板厚方向の磁化や磁化の変化も表現
できる。こうして薄板の強磁性体の磁化が表現でき、そ
の結果強磁性体による磁場が精度よく再現できることに
なる。
まれた領域、つまり強磁性体の内部の領域で（１）式の
磁化を含めた磁場Ｂを再現できる。また表面磁化電流の
面に沿った変化は磁束が強磁性体から出入りする点を表
現できる。また表裏で電流密度が異なることを許容して
磁場近似を行えば、板厚方向の磁化や磁化の変化も表現
できる。こうして薄板の強磁性体の磁化が表現でき、そ
の結果強磁性体による磁場が精度よく再現できることに
なる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例であるプラ
ズマ平衡磁場解析方法を図１に示す。本実施例では、強
磁性体の表面に磁化電流を考え、この電流値も含めて計
測磁場を再構成する。まず磁場を磁気センサー１で計測
し、計測磁場を再現するように各電流要素の電流値を決
める。この決めるべき電流要素のなかに強磁性体の表面
を流れる磁化電流を考慮した点が本発明の特徴である。
これにより前期のように強磁性体の磁場を再現できるこ
とになる。
ズマ平衡磁場解析方法を図１に示す。本実施例では、強
磁性体の表面に磁化電流を考え、この電流値も含めて計
測磁場を再構成する。まず磁場を磁気センサー１で計測
し、計測磁場を再現するように各電流要素の電流値を決
める。この決めるべき電流要素のなかに強磁性体の表面
を流れる磁化電流を考慮した点が本発明の特徴である。
これにより前期のように強磁性体の磁場を再現できるこ
とになる。
【００１４】図４には本実施例を実際の核融合実験装置
（トカマク装置）に適用した場合の磁気センサーの配置
及び強磁性体板の配置を示す。強磁性体板を挟んで磁気
センサーを配置し、強磁性体の磁化電流を把握できる体
系となっている。この実験では強磁性体板５は真空容器
３とは別にプラズマを囲むように配置されている。また
強磁性体板を挟んで磁気センサーも配置されている。図
中で矢印は磁気センサー１の位置に示しており、矢印の
方向は計測磁場成分の方向を示している。特に強磁性体
板からの磁束の出入りを計測できるように、強磁性体板
面に垂直な成分とプラズマ１１の周囲の磁場強度を計測
する強磁性体面に平行な磁気センサー１の両方が配置さ
れている。この体系では、真空容器壁に渦電流を仮定
し、強磁性体壁の表面に磁化電流を仮定する。この体系
での実際の放電データに対して本発明の磁場解析手法を
適用した結果を図５に示す。強磁性体の磁化による磁場
を再現するために表面磁化電流が図１のアルゴリズムに
従って計算した結果現れていることが解る。強磁性体板
中に磁力線が集中して磁化を表現できている。この結果
プラズマも精度よく再現できている。従って、図４の磁
気センサーの配置で図１のアルゴリズムに従って磁場配
位を再現すると、プラズマ位置断面形状を精度よく再現
できる。
（トカマク装置）に適用した場合の磁気センサーの配置
及び強磁性体板の配置を示す。強磁性体板を挟んで磁気
センサーを配置し、強磁性体の磁化電流を把握できる体
系となっている。この実験では強磁性体板５は真空容器
３とは別にプラズマを囲むように配置されている。また
強磁性体板を挟んで磁気センサーも配置されている。図
中で矢印は磁気センサー１の位置に示しており、矢印の
方向は計測磁場成分の方向を示している。特に強磁性体
板からの磁束の出入りを計測できるように、強磁性体板
面に垂直な成分とプラズマ１１の周囲の磁場強度を計測
する強磁性体面に平行な磁気センサー１の両方が配置さ
れている。この体系では、真空容器壁に渦電流を仮定
し、強磁性体壁の表面に磁化電流を仮定する。この体系
での実際の放電データに対して本発明の磁場解析手法を
適用した結果を図５に示す。強磁性体の磁化による磁場
を再現するために表面磁化電流が図１のアルゴリズムに
従って計算した結果現れていることが解る。強磁性体板
中に磁力線が集中して磁化を表現できている。この結果
プラズマも精度よく再現できている。従って、図４の磁
気センサーの配置で図１のアルゴリズムに従って磁場配
位を再現すると、プラズマ位置断面形状を精度よく再現
できる。
【００１５】図４の磁気センサー１と強磁性体５の配置
は一例である。強磁性体と真空容器は一体になる場合が
一般的である。一体化されている場合には渦電流と磁化
電流を同一の磁気センサーで検出できると考えられる
が、本例のように２層になって配置された場合には、そ
れぞれの板（強磁性体５と真空容器壁３）を挟むように
磁気センサーを配置する。従って磁気センサーを配置す
る位置は図４の様に３層に配置することになる。また磁
気センサーは磁場を計測する磁気プローブだけでなく、
磁束を計測する磁束ループや強磁性体中のポロイダル方
向の磁束を計る磁気センサー等も有効である。つまり、
強磁性体中の磁束または強磁性体中の磁束の出入りを計
測できる磁気センサーであればどのような種類でもよ
い。
は一例である。強磁性体と真空容器は一体になる場合が
一般的である。一体化されている場合には渦電流と磁化
電流を同一の磁気センサーで検出できると考えられる
が、本例のように２層になって配置された場合には、そ
れぞれの板（強磁性体５と真空容器壁３）を挟むように
磁気センサーを配置する。従って磁気センサーを配置す
る位置は図４の様に３層に配置することになる。また磁
気センサーは磁場を計測する磁気プローブだけでなく、
磁束を計測する磁束ループや強磁性体中のポロイダル方
向の磁束を計る磁気センサー等も有効である。つまり、
強磁性体中の磁束または強磁性体中の磁束の出入りを計
測できる磁気センサーであればどのような種類でもよ
い。
【００１６】図６にポロイダル磁場の再構成を実行する
磁場分布演算装置６を持つポロイダル磁場制御装置の例
を示す。本発明に従って、プラズマ位置断面形状を精度
よく把握し、この計測結果とあらかじめ入力しておく基
準信号に従ってプラズマ周囲のポロイダル磁場分布を精
度よく制御して、プラズマを安定に保持する。磁場分布
演算装置からはプラズマの位置や断面形状を表現する信
号が制御演算装置７に出力される。制御演算装置７はコ
イル電流の指令値を計算し、予め決めたプラズマ断面形
状に近づける指令をコイル電源８に与える。コイル電源
８は指令に従ってコイル電流Ici を制御し、プラズマ位
置断面形状を予定されたものに保つ。
磁場分布演算装置６を持つポロイダル磁場制御装置の例
を示す。本発明に従って、プラズマ位置断面形状を精度
よく把握し、この計測結果とあらかじめ入力しておく基
準信号に従ってプラズマ周囲のポロイダル磁場分布を精
度よく制御して、プラズマを安定に保持する。磁場分布
演算装置からはプラズマの位置や断面形状を表現する信
号が制御演算装置７に出力される。制御演算装置７はコ
イル電流の指令値を計算し、予め決めたプラズマ断面形
状に近づける指令をコイル電源８に与える。コイル電源
８は指令に従ってコイル電流Ici を制御し、プラズマ位
置断面形状を予定されたものに保つ。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、核融合装置内の計測磁
場を元に強磁性体の磁化を精度よく把握でき、この磁化
により作られる磁場も精度よく再現できる。この結果目
標とするプラズマ位置断面形状に制御することを容易に
する。
場を元に強磁性体の磁化を精度よく把握でき、この磁化
により作られる磁場も精度よく再現できる。この結果目
標とするプラズマ位置断面形状に制御することを容易に
する。
【図１】本発明の第１の実施例であるプラズマ平衡磁場
解析方法を示す図である。
解析方法を示す図である。
【図２】従来の磁場分布再構成のアルゴリズムを示す図
である。
である。
【図３】従来のアルゴリズムに従った磁気センサーの配
置図である。
置図である。
【図４】核融合実験装置の磁気センサーの配置及び強磁
性体板の配置を示す図である。
性体板の配置を示す図である。
【図５】アルゴリズムと磁気センサーにより再構成した
ポロイダル磁場分布を示す図である。
ポロイダル磁場分布を示す図である。
【図６】ポロイダル磁場の再構成を実行する磁場分布演
算装置６を持つポロイダル磁場制御装置を示す図であ
る。
算装置６を持つポロイダル磁場制御装置を示す図であ
る。
１…磁気センサー、２…ポロイダル磁場コイル、３…真
空容器、４…リミッタ、５…強磁性体板、６…磁場分布
演算装置、７…制御演算装置、８…コイル電源、９…磁
核融合装置、１０…磁化電流、１１…プラズマ、１２…
磁力線。
空容器、４…リミッタ、５…強磁性体板、６…磁場分布
演算装置、７…制御演算装置、８…コイル電源、９…磁
核融合装置、１０…磁化電流、１１…プラズマ、１２…
磁力線。
Claims (2)
- 【請求項１】トロイダル磁場コイル，ポロイダル磁場コ
イル，プラズマが発生する真空容器および強磁性体の構
造物を含む核融合装置における前記強磁性体の周囲およ
び前記プラズマの周囲の磁場を測定し、測定された前記
磁場に基づいて、プラズマを閉じ込める平衡磁場を解析
するプラズマ平衡磁場解析方法。 - 【請求項２】核融合装置の強磁性体の磁場を計測する磁
場計測手段と、計測された前記磁場から請求項１のプラ
ズマ平衡磁場解析方法を用いて平衡磁場を解析する演算
装置と、解析された前記平衡磁場に基づいて、ポロイダ
ル磁場を制御することを特徴とする磁場制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10104340A JPH11295457A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | プラズマ平衡磁場解析方法およびそれを用いた磁場制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10104340A JPH11295457A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | プラズマ平衡磁場解析方法およびそれを用いた磁場制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11295457A true JPH11295457A (ja) | 1999-10-29 |
Family
ID=14378197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10104340A Pending JPH11295457A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | プラズマ平衡磁場解析方法およびそれを用いた磁場制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11295457A (ja) |
-
1998
- 1998-04-15 JP JP10104340A patent/JPH11295457A/ja active Pending
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