2004年度 畑山研究室

■構成

教授

畑山 明聖

大学院

櫻林 徹 (D3:慶応義塾大学理工学部物理工学科有期助手)、水野貴敏(D1)、
今井尚貴(M2)、岩沙卓也(M2)、高戸直之(M2)、中神史幸(M2)、野田信悟(M2)、星野一生(M2)、大脇浩和(M1)、加藤恭平(M1)、鉄野修一(M1)、松宮健郎(M1)、吉本昌彦(M1)

学部

篠原瑞生(B4)、中田翔(B4)、則竹政俊(B4)、花谷純次(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。今年度、磁力線方向1次元PICコードが完成し、初期解析を開始した。ELMにおけるシース電場の時間発展及び電子、イオンの応答に関して興味深い結果が得られている[学会発表(6)]。次年度以降、非接触プラズマで重要な役割を果たす中性粒子に関するモデルをコードに組み込み、ELMの影響の総合的理解を目指す。
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が、今年度は、トカマク実幾何形状を解析できるように改良した。これにより、実験との定量的な比較が可能となった[国内学会(7)、則竹:卒論]。
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、日本原子力研究所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。日本原子力研究所、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-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(7), 国際会議(1), 国内学会(5)]。
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。特に、本年度、電力中央研究所、中国科学院プラズマ物理学研究所、核融合科学研究所との共同研究により、開発したモデルを中国科学院プラズマ物理学研究所トカマクプラズマ実験装置HT-7Uの運転領域の解析に適用し、運転領域拡大のシナリオを検討した [論文(2),(8) 国際会議(2)]。

[ 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。[論文(1)、国際会議(3)]
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、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[中田:卒論]。
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。現在、このコードを用いて、Ecole Polytechniqueの負イオン源装置Camembert Ⅲの実験解析が進められており、共同研究に発展している。とくに、今年度は実験における分光測定との比較が可能となるように、励起水素原子に関するモデリングを進めた。[論文(4)]
また、日本原子力研究所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を解明するために、負イオン源中での水素原子密度の空間一様性について検討した。負イオン源中に電子温度の非一様性が生じると、その結果、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粒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]。
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。従来、この種のコードとしては、ヨーロッパで開発されたNIETZSCHEコードが知られている。我々のコードの特徴は、クーロン衝突過程における微小角散乱過程をより正確にモデル化した点にある。水素負イオン源において生成された負イオンは、二つの特徴的なエネルギー成分からなることが、従来から実験的に指摘されていたものの、その物理的機構は明確ではなかった。開発したモンテカルロコードにより、高いエネルギーの負イオン生成に関して、イオン源中における電場による加速が有力な物理的機構の一つになり得ることを明らかにした。[論文(6)]
また、B. 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[花谷:卒論]。今後、上記B.の中性粒子輸送コード及び負イオン輸送コードを結合し、表面生成型負イオン源で観測された引き出し電流の空間的非一様性の原因を詳細に調べる予定である。
D. 負イオン源プラズマの流体シミュレーション
上記、B. 及びC.の中性粒子及び負イオンのモデリングに加え、負イオン源プラズマの流体モデリングにも取り組んでいる。特に最近、イオン源の大型化に伴い、プラズマの空間的非一様性が問題となっている。従来、その原因としてイオン源フィルター磁場とプラズマ中の電場に起因するExBドリフトが指摘されていた。我々のモデリングから、このExB ドリフトの影響は小さく、むしろ、フィルター磁場により磁化される電子と磁化されないイオンとの運動の差が原因となり非一様性が生じることを示した。今後、実験との詳細な比較を目指し、モデルの空間3次元化を進めている[論文(3),国内学会(3)]。
また、負イオン源カスプ磁場中でのプラズマ輸送過程を流体モデルによりモデル化し、カスプ尖塔部におけるプラズマ損失幅の予測が可能になった[国内学会(8)]。
E.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[学会発表(3)、国際会議(4)]。今後、電子に対する衝突の効果の検討及び軌道解析によって得られた知見を上記流体モデルにいかに反映していくかが課題となる。

[ 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のために、多成分プラズマの輸送係数についての検討を行い、蒸発粒子の存在下における電気伝導率の計算を行なった。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[篠原:卒論]。

■発表論文・学会発表など

論文

(1) T. Sakurabayashi, A. Hatayama and M. Bacal, “Effects of a Weak Transverse Magnetic Field on Negative Ion Transport in Negative Ion Sources”, J. Appl. Phys. 95 (2004) 3937-3942.
(2) R. Hiwatari, Y. Kuzuyama, A. Hatayama, K. Okano, Y. Asaoka, S. Zhu, Y. Tomita, “Simple Core-SOL-Divertor Model to Investigate Plasma Operational Space”, Conrib. Plasma Phys. 44 (2004) 76-82.
(3) T. Mizuno, Y. Kitade, A. Hatayama, T. Sakurabayashi, N. Imai, T. Morishita, and T. Inoue, “Numerical Analysis of Plasma Spatial Uniformity in Negative Ion Sources by a Fluid Model”, Rev. Sci. Instrum, 75 (2004)1760-1763.
(4) N. Takado, A. Hatayama, K. Miyamoto, “Modeling of Excited Hydrogen Atoms in Hydrogen Negative Ion Sources”, Rev. Sci. Instrum, 75 (2004)1777-1779.
(5) T. Sakurabayashi, A. Hatayama and M. Bacal, “Effects of the Weak Magnetic Field and Electron Diffusion on the Spatial Potential and Negative Ion Transport in the Negative Ion Source” , Rev. Sci. Instrum, 75 (2004)1770-1773.
(6) A. Hatayama, K. Makino, T. Sakurabayashi, K. Miyamoto, M. Ogasawara and M. Bacal, “Numerical Analysis of Negative Ion Temperature in a Negtive Ion Sources”, Rev. Sci. Instrum, 75 (2004)1650-1652.
(7) K. Hoshino, A. Hatayama, R. Schneider and D. P. Coster: “Effect of Drifts on the High Mach Flow Associated with the Divertor Detachment”, J. Nucl. Mater. 337-339(2005) 276-280.
(8) R. Hiwatari, Y. Kuzuyama, A. Hatayama, K. Okano, Y. Asaoka, S. Zhu, Y. Tomita, “Simple Core-SOL-Divertor Model and Its Application to Operational Space of HT-7U”, J. Nucl. Mater. 337-339(2005) 386-390.
(9)畑山明聖:トカマク周辺プラズマのモデリングの進展、プラズマ・核融合学会誌、80(2004)205-211. (解説論文)

国際会議

(1) K. Hoshino, A. Hatayama, R. Schneider and D. P. Coster, “Effect of Drifts on the High Mach Flow Associated with the Divertor Detachment”, in Proc. 16th Interntional Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Device, Portland Maine, USA, May, 2004.
(2) R. Hiwatari, Y. Kuzuyama, A. Hatayama, K. Okano, Y. Asaoka, S. Zhu, Y. Tomita, “Simple Core-SOL-Divertor Model and Its Application to Operational Space of HT-7U”, in Proc. 16th Interntional Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Device, Portland Maine, USA, May, 2004.
(3) T. Sakurabayashi, A. Hatayama and M. Bacal, “Effects of Transverse Magnetic Field and Spatial Potential on Negative transport in Negative ion sources”, in Proc. of the 10th International Symposium on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, AIP Conf. Proc. No 763 (Kiev, Ukraine) p.96-106(2004).
(4) M. Hanada, T. Seki, N. Takado, T. Inoue, T. Morishita, T. Mizuno, A. Hatayama, T. Imai,
M. Kashiwagi, K.Sakamoto, M.Taniguchi, K.Watanabe,” Experimental study on spacialuniformity of H- ion beam in a large negative ion source”, 23rd Symposium of Fusion Technology SOFT, Venis, Sept. 20-24, 2004.

国内学会

(1)中神史幸、野田信悟、畑山明聖:“プラズマ-固体壁における非線形熱分岐現象の解析”, プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(2)高戸直之,花田磨砂也,関孝義,井上多加志,畑山明聖,水野貴敏,加藤恭平,坂本慶司,渡辺和弘,柏木美恵子,谷口正樹,大楽正幸: “磁気フィルター付き負イオン源における一様性への電子挙動の影響”, プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(3)加藤恭平,水野貴敏,畑山明聖,井上多加志,花田磨砂也,関孝義,高戸直之, “タンデム型水素負イオン源における高エネルギー電子の軌道解析”, プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(4)水野貴敏,加藤恭平,畑山明聖,井上多加志,花田磨砂也,関孝義,高戸直之: “流体モデルを用いた負イオン源引き出し領域におけるプラズマの解析”,プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(5)星野 一生,吉本 昌彦,畑山 明聖,R. Schneider,D. P. Coster,X. Bonnin:“ダイバータプラズマ流に対するドリフトの影響”,プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(6)野田 信吾,桜林 徹,星野 一生,畑山 明聖: “ダイバータプラズマにおけるELMのモデリング”,プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(7)岩沙 卓也,星野 一生,則竹 政俊,畑山 明聖: “ダイバータプラズマにおける多種不純物モンテカルロコードの開発”,プラズマ核融合学会 第21回年会,2004年11月.
(8)今井尚貴、深野あずさ、水野貴敏、櫻林徹、小笠原正忠: “負イオン源カスプ磁場における電子エネルギー損出幅の検討”、プラズマ核融合学会 第21回年会,2004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(1)(4)(6) 国際会議(3):エコール・ポリテクニーク(仏)
論文(2)(8) 国際会議(2):電力中央研究所、中国科学院プラズマ物理学研究所、核融合科学研究所
論文(3) 国際会議(4) 国内学会(2)(3)(4):日本原子力研究所
論文(7) 国際会議(1) 国内学会(5):マックスプランクプラズマ物理学研究所(独)

■ 学位論文

博士論文

主査
櫻林 徹: 負イオン源プラズマにおける負イオン輸送過程の研究(基礎理工学専攻)
副査
Koji Satake: Numerical modeling of plasma enhanced chemical vapor deposition of microcrystalline silicon thin films (総合デザイン工学専攻:主査 真壁利明教授)
副査
Bin Ding: Optimization and Functionalization of Nanofibrous Mats/Members by Electrospinning (基礎理工学専攻:主査 白鳥世明助教授)
* 他大学:
Referee (副査)
Konstantin Matyash:Kinetic Modeling of Multi-Component Edge Plasma(Faculty of Natural Sciences, Ernst Moritz Arndt University, Greifswald, Germany, 主査:Prof. J.P.Hildebandt)

修士論文

今井尚貴 負イオン源カスプ磁場におけるプラズマ損失の解析
岩沙卓也 トカマクダイバータプラズマにおける重金属不純物輸送過程のモンテカルロ
シミュレーション
高戸直之 磁気フィルター付水素負イオン源における負イオンビーム空間的一様性の解析
中神史幸 プラズマ-固体壁における非線形熱分岐現象の解析
野田信悟 ダイバータプラズマにおけるELM(Edge-Localized Mode)のモデリング
星野一生 高速プラズマ流に対するダイバータ幾何形状とドリフトの影響
卒業論文
篠原瑞生 微粒子投入を考慮したRF-ICP装置のプラズマ特性
中田 翔 水素負イオン源におけるレーザーフォトデタッチメント時の負イオン
及びプラズマ輸送過程の解析
則竹政俊 トカマク実配位を考慮した多次元不純物輸送モデリング
花谷純次 タンデム型水素負イオン源における負イオン輸送のモデリング

■進路

大学院

慶應義塾大学訪問研究員、東京都立高等専門学校機械工学科非常勤講師、
東芝
東京電力
慶應義塾大学大学院理工学研究科博士課程
シャープ
東京電力
慶應義塾大学大学院理工学研究科博士課程

学部

他大学大学院
慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程
慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程
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(2004年8月、山中湖)。

■ 学会活動等

  • 日中拠点大学交流事業(核融合科学研究所主幹)への協力の一環として、12月に中国科学院プラズマ物理学研究所朱(Zhu)教授が我々の研究室に1週間滞在し、共同研究を進めるとともに、あわせて、滞在中に境界層プラズマのモデリングに関する研究会を開催した。
  • 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
  • 日本原子力研究所 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

■研究助成

  • 電力中央研究所、日本原子力研究所、他

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics