2005年度 畑山研究室

■構成

教授

畑山 明聖

大学院

水野貴敏(D2)、高戸直之(D1)、星野一生(D1)
大脇浩和(M2)、加藤恭平(M2)、鉄野修一(M2)、松宮健郎(M2)、吉本昌彦(M2)
則竹政俊(M1)、花谷純次(M1)

学部

江原毅(B4)、新田訓久(B4)、山口翔太(B4)、山﨑龍(B4)

■研究概要

[ 磁場閉じ込め核融合プラズマに関する研究 ]

A.ダイバータ及びSOL(Scrape-off Layer)プラズマに関する研究

磁場閉じ込め核融合において、ダイバータは壁で発生する不純物の制御という重要な役割を担う。炉心プラズマ周辺を囲む低温ダイバータ-SOLプラズマの特性が、高温の炉心プラズマ性能に大きな影響を及ぼす。また、工学的にもダイバータ板に集中する熱・粒子負荷の低減なしには、将来の核融合炉はあり得ない。

A.1 非接触(Detachment)プラズマのモデリング

ダイバータ板への熱負荷軽減法として、非接触(Detachment)プラズマ概念が提案されている。プラズマと中性粒子間の相互作用を利用し、直接プラズマがダイバータ板に到達するのを妨げる。現在、コアプラズマからの熱パルス(ELM)が非接触プラズマに与える影響のモデリングを進めている。ELMの際には、熱平衡からのずれが大きく、粒子(PIC)モデルなどを用いた運動論的な扱いを必要とする。 昨年度までの磁力線方向1次元PICコードによるモデリングを継続するとともに、今年度、ELMによって吐き出された高速電子と中性粒子との相互作用について、断面積データの収集と初期解析を開始した(新田卒論)。今後、PICコードに本年度の成果を反映していく。

A.2 不純物発生・輸送のモデリング

従来、ダイバータ材料として、炉心プラズマでの不純物放射低減の観点からカーボン材など低Z材料が多く用いられてきた。非接触ダイバータプラズマでは、プラズマの温度低下が期待できるため、熱伝導性に優れた高Z材料が適用できる可能性がでてきた。高Z材料のプラズマ中での輸送過程のモデリングは、ラーマー半径が大きいこと、多数の電離状態を扱わなければならないことなどから、現状ほとんど行われていない。そこで、陰解的モンテカルロ法を用い、且つ、旋回中心近似を用いない新しい多次元不純物輸送コードの開発を継続してきた。従来、スラブ形状を対象としてきた。今年度は、実験との定量的な比較の準備として、トカマク実幾何形状を解析できるように改良した [国内学会(6)]。実験との比較のためには、今後、さらに不純物発生のモデリングを詳細化し、コードに組み込む必要がある。

A.3 JT-60Uダイバータ実験の解析

A.1, A.2の基礎研究とともに、日本原子力研究開発機構の大型トカマク核融合実験装置JT-60Uダイバータ実験の解析も進めている。日本原子力研究開発機構、マックスプランクプラズマ物理学研究所との共同研究により、”B2.5-Eirene” コードによる実験解析を進めた。今年度とくに、非接触プラズマ中で発生する高速プラズマ流れに対するドリフトの効果を検討した。[論文(1), 国際会議(1)]。また、このような流体シミュレーションの境界条件、とくにドリフトを含む場合のジース条件について、基礎的な考察を行った[吉本修論、学会発表(3)]。

B. コア-SOL-ダイバータ結合モデルの構築

核融合炉概念設計では、炉心プラズマ、SOL及びダイバータを含む総合的なモデリングが必要となる。そこで、炉心プラズマ-SOL-ダイバータ結合モデルを開発してきた。現状モデルの問題点として、高密度領域で、ダイバータ板への粒子束のコア密度依存性が実験結果を説明することができないという問題点がある。この原因を調べるため、現状モデルの見直しに着手した[山﨑卒論]。

C. ディスラプション時のプラズマ電流減衰時間評価モデルの検討
ディスラプション時に炉構造機器に発生する電磁力評価にとって、プラズマ電流減衰時間の正確な評価が求められる。ディスラプション時の電子に対するパワーパワーバランスの式とトカマク回路方程式を連立して解くことにより、プラズマ電流減衰時間の評価モデルを構築した。また、中型トカマク装置(JFT-2M)における実験結果との比較を行おこない、概ね良い一致をみた。[大脇修論、論文(3)、国際会議(3)、学会発表(7)]さらに、ディスラプション時に発生する逃走電子の効果についても予備検討を行った[山口卒論]。

[ 負イオン源プラズマに関する研究 ]

A. 負イオン源プラズマに対するプラズマ粒子(PIC)シミュレーション

負イオン源プラズマに対するPICシミュレーションモデルの開発を行っている。負イオン源プラズマ中の粒子(正イオン、電子、負イオン)の運動と、粒子運動に起因する負イオン源中の電場とを自己矛盾無く解く。PICシミュレーションにより、イオン源引出し孔付近のプラズマ電位構造を明らかにするとともに、電子抑制用マグネットによる弱磁場が負イオン輸送に与える影響を明らかにした。その結果、実験において観測された弱磁場下の負イオン引出し電流の増大は、プラズマの電位構造の変化によって説明されることを示した。[松宮修論、論文(7)、(11)]
また、負イオン密度測定に用いられるレーザー光脱離計測の基礎的過程の理解を目指し、PICシミュレーションを開始した。これにより、レーザー入射によって負イオンから脱離した電子の振る舞いを、背景プラズマの挙動と矛盾なく解くことが可能となった。今後、モデルの空間2次元化、レーザー光脱離計測による負イオン温度測定精度の検討、磁場中におけるレーザー光脱離測定精度の検討などを開発したPICモデルを用いて進める予定である[論文(8)、学会発表(5)]。

B. 負イオン生成分布に関するモンテカルロシミュレーション

負イオン源プラズマの理解及びそれに基づく負イオン源設計の最適化にとって、負イオン生成点の空間分布の情報はきわめて重要である。負イオン源幾何形状の複雑さ、生成反応過程の複雑さ、等から、空間分布を解析するためのツールの開発は、現状、ほとんど行われていない。そこで、我々は、中性分子及び原子の輸送及び反応過程を、空間3次元で解析可能となるようなシミュレーションコードを開発してきた。
このモデルに基づき、日本原子力研究開発機構10A負イオン源で観測されたCs添加時の負イオン引き出し電流の非一様性の原因にいて検討を進めた。負イオン源中に電子温度の非一様性が生じると、電子温度の高い領域で水素分子の解離が進み水素原子密度の空間的非一様性が生じる。このため引き出し電極表面への中性原子束に非一様性が生じ、その結果、負イオン表面生成分布に非一様性が生じうることを指摘した[高戸修論、論文(9)]。

C. 負イオン輸送現象のモンテカルロシミュレーション

負イオン源の性能向上にとって、生成された負イオンの引き出し確率向上が望まれる。そこで、負イオンの種々の衝突・消滅過程を考慮した上で、軌道追跡を行う3Dモンテカルロシミュレーションコードを開発してきた。特に今年度は、上で述べたCs添加時の負イオン引き出し電流の非一様性の原因解明を目指し、表面生成負イオンの引き出し確率の計算及びその解析に着手し、電子温度の非一様性が負イオン引き出し確率に与える影響を調べた。上記B.の中性粒子輸送コードの計算結果を初期条件として、負イオン輸送計算を行い、10A負イオン源表面生成型負イオン源における負イオン引き出し確率の空間分布の計算を可能とした。計算結果と実験結果とは、定量的には完全な一致はみられないものの、定性的には実験で観測された非一様性の傾向に近い結果が得られた[論文(9)、学会発表(1)]。

D.負イオン源中の電子軌道解析

アーク放電型体積生成負イオン源において観測された負イオン引き出し電流の非一様性は、イオン源内の電子温度(エネルギー)分布の空間分布と強い相関を持つことが実験的に指摘されてきた。そこで、電子温度分布の非一様性の原因を明らかにするため、フィラメントで生成され加速された1次電子のイオン源内における軌道解析を行った。その結果、イオン源カスプ磁場とフィルター磁場との干渉によって生じる磁場とそれに起因する電子のドリフト運動が原因となり、電子温度分布に非一様性が生じることを明らかにした[加藤修論、論文(10)、学会発表(2)]。さらに、電子に対する衝突の効果を取り入れ、1次高速電子のエネルギー緩和過程のモデリングを進めた。

[ 熱プラズマのモデリング ]

昨年度に引き続き、環境問題等へ応用されるRF熱プラズマのモデリングを継続した。とくに従来、個々に進めてきた背景プラズマに対するモデリングと背景プラズマ中での微粒子の蒸発・輸送過程のモデリングの統合化が完成した。蒸発を考慮した場合としない場合とを比較した結果、低温側で蒸発の影響が大きいことが示された[鉄野修論、学会発表(8)]。

[飛行時間型質量分析器におけるイオン軌道解析]

今年度よりあらたに、生体高分子の質量分析などに使われる飛行時間型質量分析器(TOF-MS)におけるイオン軌道の解析を研究テーマの一つとして取り上げた。今年度は、とくに質量分析器内、リフレクトロンのメッシュ電極構造がイオン軌道及び質量分解能に与える影響を調べた[江原卒論]。

■発表論文・学会発表など

論文

(1) K. Hoshino, A. Hatayama, H. Kawashima, N. Asakura, R. Schneider, D. Coster, “Effect of Drifts on the Plasma Flow in the Detachment”, Contrib. Plasma Phys. 46 (2006) 116 ? 121.
(2) K. Miyamoto, A. Fukano, and A. Hatayama, “The Effect of Plasma Temperature on MAR in Detached Divertor Plasma”, Contrib. Plasma Phys. 46 (2006) 168 ? 173.
(3) H. Ohwaki, M. Sugihara, Y. Kawano, V.E. Lukash, R.R. Khayrutdinov, V. Zhogolev, T. Ozeki, A.Hatayama, “Modeling of Plasma Current Decay during the Disruption Caused by Massive Impurity Injection”, Plasma Fusion Res. 1 (2006) 016.
(4) M. Bacal, A. Hatayama, T. Matsumiya, M. Hamabe, T. Kuroda, and Y. Oka, “Extraction Physics in Volume H?-Ion Sources”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03A502.
(5) M. Hanada, T. Seki, N. Takado, T. Inoue, H. Tobari, T. Mizuno, A. Hatayama, M. Dairaku,
M. Kashiwagi, K. Sakamoto, M. Taniguchi, and K. Watanabe,
“Improvement of Beam Uniformity by Magnetic Filter Optimization in a Cs-Seeded Large Negative-Ion Source”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006), 03A515.
(6) A. Fukano, T. Mizuno, A. Hatayama, and M. Ogasawara, “Estimation of the Cusp Loss Width in Negative-ion Sources”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006), 03A524..
(7) A. Hatayama, T. Matsumiya, T. Sakurabayashi, and M. Bacal, “Particle-in-Cell Modeling of Negative-ion Transport and Extraction Processes in a Hydrogen Negative-Ion Source”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006), 03A530.
(8) T. Mizuno, S. Nakata, N. Takado, T. Matusmiya, T. Sakurabayashi, A. Hatayama, and M. Bacal,
“Numerical Modeling of the Transport Process of Negative-ion Plasmas in Photodetachment Measurement”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006), 03A531.
(9) N. Takado, J. Hanatani, T. Mizuno, K. Katoh, A. Hatayama, M. Hanada, T. Seki, and T. Inoue,
“Numerical Analysis of the Spatial Nonuniformity in a Cs-Seeded H? Ion Source”, Rev. Sci.  Instrum. 77 (2006), 03A533.
(10) K. Katoh, N. Takado, A. Hatayama, M. Hanada, T. Seki, and T. Inoue, “Numerical Analysis of Primary Electrons in a Tandem-Type Negative Ion Source”, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006), 03A535.
(11) M.Bacal, A.Hatayama and J.Peters, “Volume Production Negative Hydrogen Ion Sources”,
IEEE Transactions on Plasma Science 33(2005) 1845-1871 (Invited Review Paper).

国際会議

(1) K. Hoshino, A. Hatayama, H. Kawashima, N. Asakura, R. Schneider, D. Coster,“Effect of Drifts on the Plasma Flow in the Detachment”, in Proc. 10th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices, Forschungszentrum Julich, Germany, October 2005.
(2) K. Miyamoto, A. Fukano, and A. Hatayama, “The Effect of Plasma Temperature on MAR in Detached Divertor Plasma”, in Proc. 10th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices, Forschungszentrum Julich, Germany, October 2005.
(3) H. Ohwaki, M. Sugihara, Y. Kawano, V.E. Lukash, R.R. Khayrutdinov, V. Zhogolev, T. Ozeki, A. Hatayama, “Modeling of Plasma Current Decay during the Disruption”, in Proc. 32nd EPS Plasma Physics Conference, Tarragona, Spain, July 2005.
(4) A.Hatayama, “Negative Ion Production and Transport in Hydrogen Negative Ion Sources”, in Proc. 4th International Workshop on Basic Aspects of Nonequilibrium Plasmas Interacting with Surfaces, Lake Kawaguchi, Japan, February, 2006 (Invited).

他 6件

国内学会

(1) 花谷純次,高戸直之,加藤恭平,畑山明聖,花田磨砂也,関孝義,井上多加志:“水素負イオン源における表面生成負イオンの生成及び輸送解析”,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(2) 加藤恭平,高戸直之,,畑山明聖,花田磨砂也,関孝義,井上多加志:“タンデム型水素負イオン源における電子エネルギー分布の解析”,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(3) 吉本 昌彦,新田 訓久,深野あずさ,畑山 明聖:“ドリフトを考慮した磁気シースのモデリング“,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(4) 松宮健郎,桜林徹,水野貴敏,高戸直之,深野あずさ,畑山明聖,M. Bacal:“水素負イオン源におけ負イオン引き出し過程のモデリング“,プラズマ核融合学会 第22回年会,
2005年11月.
(5) 水野貴敏, 中田翔,松宮健郎,桜林徹,畑山明聖,M.Bacal:“レーザーフォトデタッチメント時の負イオンプラズマ輸送過程の解析“,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(6) 則竹 政俊,星野 一生,岩沙 卓也,山崎 龍,畑山 明聖:“トカマク実配位を考慮した多次元不純物輸送モデル“,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(7) 大脇浩和,杉原正芳,河野康則,V. Lukash,畑山明聖,小関隆久:“ディスラプション時のプラズマ電流消滅のモデル化“,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月.
(8) 鉄野 修一,畑山 明聖:“アルミナ粉末注入を考慮した高周波誘導結合多成分プラズマのモデリング” ,プラズマ核融合学会 第22回年会,2005年11月

*以上の研究成果の一部は、下記の研究機関との共同研究による。
論文(4)(7)(11) 国内学会(4):エコール・ポリテクニーク(仏)
論文(1)(3)(5)(8)(9) 国際会議(1)(3) 国内学会(1)(2)(7):日本原子力開発機構
論文(1) 国際会議(1):マックスプランクプラズマ物理学研究所(独)
論文(6) 東京都立高専

■ 学位論文

博士論文

副査
大森健史“酸化膜プラズマエッチングにおけるチャージング機構の解明とチャージングフリープラズマの実現 (総合デザイン工学専攻:主査 真壁利明教授)

修士論文

大脇浩和 Modeling of Plasma Current Quench during Disruptions in Tokamak Fusion Reactors
加藤恭平 タンデム型水素負イオン源における高速電子輸送過程の解析
鉄野修一 粒子投入時の高周波誘導結合熱プラズマのモデリング
松宮健郎 水素負イオン源における負イオン輸送・引き出し過程のモデリング
吉本昌彦 ドリフトを考慮した磁気シースのモデリング

卒業論文

江原毅 飛行時間型質量分析器(TOF MS)の質量分解能に対する電極メッシュの効果
新田訓久 ELM(Edge-Localized Mode)バースト時におけるデタッチダイバータプラズマ
のモデリング
山口翔太 トカマクプラズマにおけるディスラプション時の逃走電子の解析
山﨑龍  簡易SOL-Divertor2点モデルによるダイバータプラズマ特性の理解

■進路

大学院

北陸電力
キャノン 2名
JFEスチール
東京電力

学部

慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程

■ その他

  •  研究室夏合宿(2005年8月、河口湖)。
  •  大脇浩和君が修士論文の研究成果により、応用物理専修主任奨励賞を受賞した。

■ 学会活動等

  • 日本原子力開発機構 核融合委員会トーラス理論専門部会専門委員、
    核融合委員会プラズマ加熱専門部会専門委員
  • 核融合科学研究所 共同研究員、核融合ネットワーク委員会委員
  • イオン源に関する国際会議 (ICIS:International Conference on Ion Sources)プログラム委員会委員

■研究助成

  • 電力中央研究所、科研費基盤研究(C) 他

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics