2001年度 畑山研究室

構成

畑山 明聖 (教授)

大学院

宮本賢治(D1)、櫻林 徹 (D1)、秋山 尚樹 (M2)、石井 幸夫 (M2)、大西 純 (M2) 北出 祐基 (M2)、小松 直人 (M2)、平野 真理子 (M2)、牧野航介(M1)、宮本崇司(M1)

学部

伊東優(B4)、岡田幸久(B4)、恩田靖(B4)、葛山康志(B4)、新谷貴章(B4)、畑和幸(B4)、 兵頭幾也(B4)、星野一生(B4)、武藤忍(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、我々は分子活性化再結合についてのモデリングに着手し、分子活性化再結合が支配的となる条件について検討を進めた[論文(2)、学会発表(4)、(7)]。

A.2 不純物輸送のモデリング

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、チャレンジングな課題であり、現状ほとんど行われていない。そこで、我々が提案してきた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、昨年度に引き続き継続した。

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。シミュレーションにおいても、炉心プラズマが高密度になるとMARFE及びディタッチメントが観測された。さらにMARFE及びディタッチメントに伴って生じる、ii) ダイバータ粒子負荷の非対称性の反転[論文(1)]について、その物理的機構を明らかにした。さらに、JT60-U改造前のオープン形状ダイバータ配位と改造後のW形状ダイバータ配位との比較を行うことにより、ダイバータ幾何形状がダイバータ特性に及ぼす効果の検討を継続した[学会発表(5)]。 以上の成果を含めダイバータプラズマのシミュレーション研究に関する解説論文[論文(7)]を纏めるとともに、レビュー講演を行った[国際会議発表(2)]。

B. 核融合炉の概念設計

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、今年度より、炉心プラズマ-SOL-ダイバータ結合モデルの構築に着手した。

[ 負イオン源に関する研究 ]

A. 負イオン源0次元コードによる負イオン生成、消滅及び輸送過程の研究

我々はこれまで負イオン源についての0次元シミュレーションコードを開発し、負イオンの生成、消滅機構を研究してきた。現在、イオン源開発におけるトピックスとして、イオン源の大型化とセシウム添加によるビーム電流密度の増加の二点が挙げられる。以上の二点を解析するためには電子温度が重要なプラズマパラメータである。これまでは電子温度の実験データをシミュレーションに適用してきたが、新たに電子温度を解くことで具体的な評価が可能になった。また、シミュレーション結果と実験結果との比較を行い、セシウム添加によるビーム電流密度の増加に対して、表面生成負イオンの増大が本質的であることを明らかにした[論文(3)]。

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、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た[学会発表(1)、論文(4))。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[国際会議発表(1)]。

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。水素負イオン源から引き出されたビームの発散角が、水素正イオン源に比較して、小さく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、引き出し口付近の負イオン速度分布関数の解析を行った。その結果、発散角の大小にとって、クーロン衝突による負イオンエネルギーの緩和過程が重要な役割を果たすことをはじめて明らかにした[論文(6)]。また、上記、B同様、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いる[論文(5)]。

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、今年度から負イオン源プラズマの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が必要となる。[学会発表(6)]

[ 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。熱プラズマ中のエネルギー輸送、RF電磁場解析、微粒子の蒸発過程のモデリングを進め[学会発表(2)]、また、異相混合系の数値計算法などについての基礎的考察を行った[学会発表(3)]。我々としては、新たに取り組んできた熱プラズマのモデリングと環境プラズマへの応用についても、徐々にその基盤作りが軌道に乗りつつある。

発表論文・学会発表など

論文

(1) A.Hatayama, H.Segawa, N.Komatsu, R.Schneider, D.P.Coster, S.Sakuurai, N.Hayashi and N.Asakura: “Reversal of In-Out Asymmetry of the Particle Recycling Associated with X-point MARFE and Plasma Detachment “, J.Nucl.Mater. 290-293 (2001) 407-412.

(2) K.Miyamoto, A.Hatayama, Y Ishi, T. Miyamoto and A. Fukano: “A Study of Effective Condition for MAR in Detached Divertor Plasma”, Contrib. Plasma Phys. 42 (2002) 333-338.

(3) T.Morishita, M.Kashiwagi, M.Hanada, Y.Okumura, K.Watanabe, A.Hatayama and M.Ogasawara: “Mechanism of Negative Ion Production in a Cesium Seeded Ion Sources”, Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 4709-4714.

(4) A. Hatayama, T.Sakurabayashi, Y.Ishi, K.Makino, M.Ogassawara and M.Bacal: “Development of Multidimensional Monte Carlo Simulation Code for H- ion and Neutral Transport in H- Ion Sources”: Rev. Sci. Instrum, 73 (2002) 910-913.

(5) T.Sakurabayashi, A.Hatayama, K.Miyamoto, M.Ogassawara and M.Bacal: “Monte-Carlo Simulation of Negative Ion Transporrt in the Nagative Ion Source (Camembert III)”, Rev. Sci. Instrum, 73 (2002) 1048-1050.

(6) K.Makino, T.Sakurabayashi, A.Hatayama, K.Miyamoto and M.Ogassawara: “Analysis of Negative Ion Velocity Distribution at the Extraction Holes in a Negative Ion Source”, Rev. Sci. Instrum, 73 (2002) 1051-1053.

(7) 畑山明聖:”ダイバータプラズマシミュレーションの現状”、プラズマ・核融合学会誌, 77 (2001)420-434.(解説論文)

国際会議

(1) A. Hatayama, T.Sakurabayashi, Y.Ishi, K.Makino, M.Ogassawara and M.Bacal: “Development of Multidimensional Monte Carlo Simulation Code for H- ion and Neutral Transport in H- Ion Sources”: the 9th International Conference on Ion Sources, Oakland , USA , September, 2001. (invited oral talk).

(2) A. Hatayama, R.Schneider, D.P.Coster, K.Miyamaoto:”Progress in Numerical Modeling of SOL and Divertor Plasmas”, the 12th International Toki Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion, Toki, Japan, December, 2001.(invited review talk)

国内学会/研究会

(1) 櫻林徹、畑山明聖、牧野航介、宮本賢治、小笠原正忠、M.Bacal:第12回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム、岡山、2001年11月.

(2) 秋山尚樹、畑山明聖、新矢貴章、大西純、清野直希:ICP-RF装置内背景プラズマ及び注入粒子の挙動の解析、プラズマ核融合学会第18回年会、2001年11月.

(3) 大西純、秋山尚樹、畑和幸、大西卓哉、畑山明聖:UUCP法を用いた高周波誘導結合プラズマ装置内における微粒子の挙動の解析、プラズマ核融合学会第18回年会、2001年11月.

(4) 宮本賢治、畑山明聖、石井幸夫、宮本崇司、深野あずさ:非接触ダイバータプラズマにおける分子活性化再結合の有効な条件、プラズマ核融合学会第18回年会、2001年11月.

(5) 星野一生、宮本賢治、畑山明聖、小松直人、平野真理子、兵頭幾也:JT-60UにおけるW形状効果の解析II、プラズマ核融合学会第18回年会、2001年11月.

(6) 北出祐基、櫻林徹、深野あずさ、宮本賢治、畑山明聖、小笠原正忠:負イオン源プラズマの2次元流体シミュレーション、プラズマ核融合学会第18回年会、2001年11月.

(7) 宮本賢治、石井幸夫、畑山明聖、深野あずさ:非接触ダイバータプラズマ中での再結合過程に関する分中性粒子輸送効果、平成13年度核融合科学研究所共同研究研究会「プラズマ原子・分子過程の展望」、土岐、2002年1月. 他3件

学位論文

博士論文(副査)

小林容子:モダンヒューリスティック手法を用いた沸騰水型原子炉び炉心設計と炉心制御に関する研究(計測工学専攻)

修士論文

秋山尚樹 RF-ICP装置内背景プラズマ及び注入粒子の挙動の解析

石井幸夫 プラズマ中の振動励起水素分しの準定常衝突輻射モデルに対する励起分子 の輸送の効果

大西 純 CCUP法を用いた高周波誘導結合プラズマの総合的モデリング

北出祐基 負イオン源プラズマの2次元流体シミュレーション

小松直人 JT-60Uにおける非接触プラズマに対するダイバータ幾何形状効果

平野真理子 陰解的モンテカルロ法を用いた多次元不純物輸送コードの開発

卒業論文

岡田幸久 負イオン源カスプ磁場中のプラズマ閉じ込め特性

恩田靖  PIC法による2次元プラズマ輸送コードの開発

新矢貴章 高周波誘起プラズマの導電率に関する研究

葛山康志 炉心-SOL-ダイバータを結ぶ総合的プラズマモデルの構築

畑 和幸 RF-ICP装置の数値シミュレーション

兵頭幾也 ダイバータプラズマ中における重金属不純物輸送のモデリング

星野一生 Geometric Effect on the Detached Plasma in JT-60U

武藤 忍 トカマクダイバータ材の損耗機構に関するMDシミュレーションのための基礎的 考察

進路

パイオニア,野村総合研究所,NTT Docomo,松下電器,東京電力,東京大学大学院修士課程,日本IBM,慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程 4名

その他

  • 研究室夏合宿(2000年8月)。
  • OB会(2000年12月:於 矢上新棟-創想館)。

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

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics