2003年度 畑山研究室

構成

畑山 明聖 (教授)

大学院

櫻林 徹 (D3)、葛山康志(M2)、畑和幸(M2)、兵頭幾也(M2)、水野貴敏(M2)、武藤忍(M2)
星野一生(M1)、今井尚貴(M1)、岩沙卓也(M1)、高戸直之(M1)、中神史幸(M1)、野田信悟(M1)、

学部

大脇浩和(B4)、加藤恭平(B4)、鉄野修一(B4)、則竹政俊(B4)、松宮健郎(B4)、吉本昌彦(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。特に、ダイバータ板前面の温度が1eV程度の低温になると、プラズマ体積中での再結合過程が重要となる。この再結合過程の中でも、分子を介在した再結合過程については、その発生条件など曖昧な点が、現状、数多く残されている。そこで、分子活性化再結合についてのモデリングに着手し、分子活性化再結合の発生条件、分子活性化に対する分子の空間的輸送効果、プラズマの流れの効果などを、系統的かつ詳細に調べた(宮本:博士学位論文)。また、昨年度から着手した、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についてのモデリングを継続した。

A.2 不純物発生・輸送のモデリング

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いる。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、物理スパッタリングの低減が期待できるが、化学スパッタリングの増大が懸念される。そこで、我々は、低温水素プラズマにおける化学スパッタリング機構の理解を目的として、分子動力学法によるモデリングを行った[学会発表(3)]。

A.3 JT60-Uダイバータ実験の解析

A1,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。[学会発表(1)]。

B. コア-SOL-ダイバータ結合モデルの構築

最近、負磁気シア(RS)配位によるトカマク実験が行われ、プラズマの閉じ込め性能の向上が報告されている。RS配位は、炉心プラズマのコンパクトが期待でき、経済性の観点で魅力的な核融合炉概念を描くことができる。 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の構築を継続して行っている。尚、本研究の1部は電力中央研究所、中国科学院プラズマ研究所、核融合科学研究所との共同研究によっている。[学会発表(1)、論文(2)]

[ 負イオン源に関する研究 ]

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粒子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。とくに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の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。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)、国際会議発表(2)]

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。イオン源の幾何形状の複雑さ、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。[学会発表(5)、論文(3)]

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の向上が望まれる。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であることを明らかにした。[国際会議発表(1)]

D. 負イオン源プラズマの流体シミュレーション

上記、C. 及びD.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。また、今年度、負イオン源マルチカスプ磁場配位に対する流体コードの開発にも着手した[学会発表(4)、論文(3)]。

[ 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を行った[学会発表(8)]。

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, Conrib. Plasma Phys. 44 (2004) in Press

(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) in Press

(4) N.Takado, A.Hatayama, K.Miyamoto, “Modeling of Excited Hydrogen Atoms in Hydrogen Negative Ion Sources”, 75 (2004) Rev. Sci. Instrum, in Press.

(5)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) A.Hatayama, K.Makino, T.Sakurabayashi, K.Miyamoto, M.Ogasawara and M.Bacal, “Numerical Analysis of Negative Ion Temperature in a Negtive Ion Sources”, in Proc. of The 10th International Conference on Ion Sources, Dubna, Russia, Sep. 2003. (invited oral talk)

(2) 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” , in Proc. of The 10th International Conference on Ion Sources, Dubna, Russia, Sep. 2003.

国内学会

(1)星野一生、宮本賢治、畑山明聖、R.Schneider、D.P.Coster、X.Bonnin:ダイバータプラズマの高速流に対するドリフトの影響、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(2)葛山康志、日渡良爾、畑山明聖、岡野邦彦、朝倉善幸、S.Zhu、富田幸博:炉心-SOL-ダイバータ結合簡易モデルの構築、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(3)武藤忍、畑山明聖、宮本賢治、星野一生:トカマクダイバータ材の損耗機構に関する分子動力学シミュレーション:負イオン源プラズマの二流体モデルによるシミュレーション、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(4)水野貴敏,森下卓俊,今井尚貴,桜林徹,畑山明聖,井上多加志,関孝義:負イオン源プラズマの二流体モデルによるシミュレーション、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(5)高戸直之、畑山明聖、宮本賢治:水素負イオン源における水素原子密度分布と発光強度分布のモンテカルロシミュレーション、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(6)深野あずさ、小笠原正忠、畑山明聖:負イオン源カスプ磁場における電子エネルギ‐損失幅の計算、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(7)森下卓俊、井上多加志、関孝義、水野貴敏、畑山明聖、今井剛、柏木恵美子、谷口正樹、花田麿沙也、渡邊和弘:大型水素負イオン源における負イオンビーム一様性の改善、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

(8)畑和幸、中神史幸、鉄野修一:高周波誘導結合プラズマと被処理物質の相互作用の解析、プラズマ核融合学会第20回年会、2003年11月.

学位論文

博士論文

宮本賢治:トカマクダイバータプラズマにおける分子活性化再結合に関する理論的研究(基礎理工学専攻)

修士論文

葛山康志 炉心-Scrape-off Layer(SOL)-ダイバータを結ぶ総合的核融合プラズマモデルの構築

畑 和幸 高周波誘導結合熱プラズマの数値シミュレーション

兵頭幾也 核融合ダイバータプラズマにおける不純物輸送コードの開発

水野貴敏 流体モデルによる負イオン源プラズマの空間的一様性の解析

武藤 忍 トカマクダイバータ材の損耗機構に関する分子動力学シミュレーション

卒業論文

大脇浩和 トカマクにおけるディスラプション時の減衰過程のモデリング
加藤恭平 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
鉄野修一 粒子投入時の高周波熱プラズマのモデリング
松宮健郎 負イオン源引き出し領域における電子拡散のモデリング
吉本昌彦 ダイバータプラズマにおける磁気シースの理論的検討

進路

大学院

日本電子
NTT東日本
富士ゼロックス
東京電力
慶應義塾大学大学院理工学研究科博士課程
三井物産

学部

慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程 5名

その他

  • 研究室夏合宿(2002年8月、草津温泉)。

学会活動等

  • 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
  • 核融合科学研究所 共同研究員、核融合ネットワーク委員会委員
  • 日本原子力学会 核融合エネルギー総合システム研究専門委員会
    炉心プラズマワーキンググループ委員
  • 日本学術振興会 特別研究員等審査会専門委員

研究助成

  • 日本原子力研究所、電力中央研究所

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics