2007年度 畑山研究室

■構成

教授

畑山明聖(教授)

大学院

水野貴敏(D3)、高戸直之(D3)、星野一生(D3)
江原毅(M2)、山口翔太(M2)
稲森隼平(M1)、松下大介(M1)、藤野郁朗(M1)、Sylvain Kuppel(M1)

学部

梅田達也、藤間光徳、古林真彦、吉成翔

■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、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、モデル化を進めた。電子に対してはボルツマン方程式、中性水素原子の電子励起準位密度については、衝突輻射モデルに基づくレート方程式を基礎方程式とする。これらの方程式を反復して解き、電子速度分布関数と各励起状態の中性原子密度の時間発展を追跡する計算プログラムを作成し、簡単な空間1元モデル体系での計算が行えるようになった[学会発表(2)]。

 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(IMPGYROコード)の開発している。昨年度までにその中核部分の開発を終了し、コードの数値アルゴリズムの妥当性の検証を行った。さらに初期解析では、“旋回中心近似を用いることなく不純物粒子の3次元軌道追跡が可能”というIMPGYROコードの特徴を生かし、ダイバータ板への不純物粒子入射角分布の解析などを行った[論文(2)(3)、学会発表(1)]。また、本研究は科研費特定領域研究の1部として取り上げられた。今後、さらに、IMPGYROコードと材料-プラズマ相互(EDDY)コード、境界層プラズマ(B2.5-EIRENE)コードとの段階的結合をはかり、炉内高Z不純物密度の高精度な予測・評価が可能な統合コードを構築を試みる。そのためには、計算の高速化が不可欠となる。今年度、並列PCクラスターシステムの導入整備とプログラム並列化を終了した。また、EDDYコードとの結合も完了し、その初期計算を開始した[藤間卒論、国内学会(9)]。

 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ている。我々の解析の特徴は、ドリフト運動を考慮し、かつ、中性粒子輸送に運動論的なモデルを用いる点である。従来、ドリフト運動の効果を考慮した従来の解析例のほとんどが、中性粒子輸送に流体モデルを用いている。そこで、今年度は中性粒子輸送に関して、運動論的モデル、流体モデル、各々を用いた場合に、どれほど解析結果に差が生ずるかを明らかにするためのベンチマーク計算を実施した。非接触ダイバータ状態について、比較を行ったところ、流体モデルを用いた場合には、実験で観測される非接触状態を再現することができないことを明らかにし、運動論モデルの適用が望ましいことを示した[論文(4)、古林卒論]。

 A.4 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-ダイバータ結合簡易モデルを開発してきた。特に、本年度、電力中央研究所との共同研究により、非接触ダイバータ特性の再現が可能なダイバータ簡易モデルの開発を試みた。 [論文(5)]

B. 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の開発を今年度も継続した。今年度は、とくにディスラプションの際に発生する逃走電子の効果をモデルに考慮した。逃走電子の影響は、電流減衰の後半において重要になることが示唆された[山口修論、学会発表(3)]。

[ 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。今年度、新たに実空間2次元、速度空間3次元(2D3V)のPICシミュレーションコードを開発した。コードでは、負イオン源引き出し孔近傍をモデル化し、プラズマ電極(PG)、引き出し電極(EG)、引き出し孔近傍の電子抑制用弱磁場を考慮している。このコードを用い、プラズマ電極上で生成される表面生成負イオンの引き出し過程を解析した。その結果、磁場が存在する場合には、実験と同様、負イオンの引き出し量の顕著な増加が示された。また、その物理的機構は、“弱”磁場下での負イオンと電子のダイナミックスの相違とそのために生じる電位構造の変化であることを明らかにした。 [国際会議(2)、論文(8)]

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ついて検討を進めた。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計算により明らかにした。さらに、引き出し表面への中性原子束の結果を用いて表面生成負イオンの生成量、生成後の負イオンの輸送過程をシミュレーション(C.参照)により計算し、実験結果と比較した。負イオン引き出し量の絶対量は、負イオン生成モデルに依存するものの、負イオン引き出しの空間分布はモデルに依存せず、実験で観測された引き出し空間分布の特徴をよく捉えている。したがって、イオン減内部の電子温度分布の非一様性と、その結果生じる引き出し電極への中性粒子束の不均一性が、実験で観測される負イオン引き出し電流の非一様性を説明する物理機構の一つと考えられる。実際に、以上の物理的解釈に基づき10Aイオン源の改良が行われ、実験においても大幅な非一様性の改善がなされている。[論文(6)、(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確率に対する、ⅰ)水素負イオンと中性粒子との弾性衝突、ⅱ)フィルター磁場の二つの効果を調べた。低ガス圧下では、フィルター磁場による負イオンラーマー旋回が、一方、5mTorr以上ガス圧では、中性粒子との弾性衝突が支配的な引き出し機構になることを示した[国際会議(1)]。しかしながら、引き出し確率の絶対値は実験から推定される引き出し確率よりは小さくなる傾向にある。今後、上記Aのテーマとの関連して、引き出し孔近傍の電場が引き出し確率に与える影響についてさらに詳しく調べる必要がある。

D.負イオン源中の電子速度分布解析

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てきた。さらに、電子に対する非弾性衝突、弾性衝突、イオン源実形状、実磁場配位(マルチカスプ磁場、フィルター磁場)、シースの効果を考慮し、電子のエネルギー緩和過程のモデリングを進めた。その結果、負イオン源中の電子速度分布関数をイオン源実形状、実磁場配位中を考慮し、電子速度分布関数を求めることが可能となった。負イオン源プラズマに関して、このような解析コードを開発して例は、知る限り他にはない。上記、10Aイオン源にこのコードを適用し、その妥当性評価をおこなった。得られた電子エネルギー分布関数は、低温エネルギー成分、高エネルギー成分の二つの成分からなり、10Aイオン源における実験結果と良く一致した[論文(8)]

[飛行時間型質量分析器におけるイオン軌道解析]

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昨年度より継続している。今年度は、とくに質量分析器内、イオン押し出し電極の電極構造及び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、質量分解能向上に有効な押し出し電極構造を提案した[江原修論]。

■発表論文・学会発表など

論文

(1) K. HOSHINO, A. HATAYAMA, H. KAWASHIMA, N. ASAKURA, R. SCHNEIDER and
D. COSTER, “Numerical analysis of the SOL/divertor plasma flow with the effect of drifts”,
Journal of Nuclear Materials 363-365, 539-543 (2007).

(2) A. FUKANO, M. NORITAKE, K. HOSHINO, R. YAMAZAKI and A. HATAYAMA,
” Modeling of multi-deimensional impurity transport in a realistic tokamak geometry”,
Journal of Nuclear Materials, 363-365, 211-215 (2007).

(3) K. Hoshino, M. Toma, A. Hatayama, D.P. Coster, X. Bonnin, R. Schneider, K. Kawashima,
N. Asakura, and Y. Suzuki , “Benchmarking Kinetic and Fluid Neutral Models with Drift Effects”, Contrib.Plasma Phys. 48, 136-140(2008).

(4) K. Hoshino, M. Noritake, M. Toma and A. Hatayama,
”High-Z Impurity Transport Code by Monte Carlo Method in a Realistic Tokamak Geometry -IMPGYRO-“, Contrib.Plasma Phys. 48, 280-284(2008).

(5) R. Hiwatari, A. Hatayama and T. Takizuka,
”Effect of SOL Decay Length on Modeling of Divertor Detachment by Using Simple Core-SOL-Divertor Model”, Contrib.Plasma Phys. 48, 174-178(2008).

(6) N. TAKADO, D. MATUSHITA, I. FUJINO and A. HATAYAMA,
”Effect of energy relaxation of H atoms at the wall on the production profile of H ions in large negative ion sources”, Review of Scientific Instruments 79, 02A503(2008).

(7) I.FUJINO, A.HATAYAMA, N.TAKADO and T.INOUE,
”Analysis of elctreon energy distribution of an arc-discharge H ion source with Monte Carlo simulation”, Review of Scientific Instruments 79, 02A510(2008).

(8) A.FUKANO, J.HAMATANI, T.MATSUMIYA and A.HATAYAMA,
”Spatial structure of electric potential near the extraction region in Cs-seeded H ion sourses”,
Review of Scientific Instruments 79, 02A525(2008).

(9) N.TAKADO, H.TOBARI, T.INOUE, J.HANATANI, A.HATAYAMA, M.HANADA,
M.KASHIWAGI and K.SAKAMOTO,
”Numerical analysis of the production profile of H atoms and subsequent H ions in large negative ion sources”, Journal of Applied Physics, 103, 053302 1-12 (2008).

(10) K. MATYASH, R. SCHNEIDER, F. TACCOGNA, A. HATAYAMA, S. LONGO,
M. CAPITELLI, D. TSKHAKAYA, F. X. BRONARLD, “Particle in Cell Simulation of Low Temperature Laboratory Plasmas”, Contrib. Plasma Phys. 48, 249-254(2008).
(Review Paper)

国際会議

(1) D.MATSUSHITA, N.TAKADO and A.HATAYAMA, T.INOUE,
” Numerical analysis of H ion transport processes in Cs-seeded negative ion sources”,
the 12th International Conference of Ion Sources (ICIS 20007) ,
August 2007, Jeju, Korea. (Best Poster Award)

(2) A.HATAYAMA,
”Progress in modeling and numerical simulation of negative hydrogen ion sources “,
the 12th International Conference of Ion Sources (ICIS 20007) ,
August 2007, Jeju, Korea. (招待講演),

国内学会

(1) 星野一生、藤間光徳、古林真彦、畑山明聖、 “重金属不純物粒子のダイバータ入射角に関する考察”、 プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(2) 稲盛隼平、高戸直之、星野一生、藤野郁朗、畑山明聖、”ELMバースト時における中性粒子・電子間の相互作用”、 プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(3) 山口彰太、畑山明聖、杉原正芳、“逃走電子を考慮したディスラプション時の電流減衰モデリング”、 プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.プラズマ核融合学会 第23回年会、筑波、2006年11月.

(4) 藤野郁朗、畑山明聖、高戸直之、井上多加志、“負イオン源内における電子速度分布関数の解析レーザーフォトデタッチメント測定における負イオンプラズマ輸送のPICシミュレーション“、プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(5) 深野あずさ、花谷純次、松宮健郎、畑山明聖、”水素負イオン源における引き出し領域近傍における空間電位構造”、プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(6) 松下大介、高戸直之、井上多加志、畑山明聖、“水素負イオン源における表面生成負イオン輸送過程の解明”、 プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(7) 日渡良爾、寺井徹、小川雄一、畑山明聖、 “Core-SOL-DIvertor簡易輸送モデルの非接触ダイバータへの適用”、 プラズマ核融合学会 第24回年会、姫路、2007年11月.

(8) 畑山明聖、“負イオン源のモデリングと数値シミュレーションに関する最近の進展” 負イオン研究会、核融合科学研究所、2007年7月.

(9) 畑山明聖、藤間光徳、星野一生、“SOL/ダイバータ不純物プラズマ複合コードIMPGYRO+EDDYの開発 初期結果報告”、特定領域研究成果報告会、名古屋、2008年3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、共同執筆による。
論文(5) 国内学会(7) 電力中央研究所
論文(1)(3)(5)(7)(9) 国内学会(1)(3)(4)(6)(7):日本原子力研究開発機構
論文(1)(3)(10) マックスプランクプラズマ物理学研究所(ドイツ)
論文(6) 東京都立高専
論文(10) バリ大学(イタリア)、インスブルック工科大学(オーストリア)

■ 学位論文

博士論文

[主査}

高戸 直之
表面生成型負イオン源における負イオンビーム強度の非一様性発生機構に関する研究(基礎理工学専攻)

星野 一生
トカマクにおける境界層プラズマ流の構造と重金属不純物輸送に関する研究(基礎理工学専攻)

水野 貴敏
水素負イオン源におけるレーザー光脱離による負イオン温度測定に関する研究(基礎理工学専攻)

[副査]

佐藤 俊和
誘導結合型プラズマにおけるAr準安定励起原子のプラズマ維持ならびに酸素原子
生成に与える効果の数値計算モデリング (総合デザイン工学専攻:主査 真壁利明教授)

森田 将人
Quantum chemical calculations of photoionization cross sections with complex basis
Functions optimized for frequency-dependent polarizabilities (基礎工学専攻:主査 藪下 聡教授)

修士論文

江原  毅  飛行時間型質量分析計のマススペクトル分布の改善に関する研究
山口 翔太  逃走電子を考慮したトカマクディスラプションのモデリング

卒業論文

梅田 達也  ELMバーストにおける高エネルギー電子と中性粒子との相互作用のモデリング
藤間 光徳  トカマクプラズマ中での不純物輸送に対するドリフトの影響
古林 真彦  Analysis of Electron Energy Distribution in H- ion Sources
吉成 翔  水素負イオン源における負イオン輸送過程の解析

■進路

大学院

東芝、日本原子力開発機構(博士研究員)、シャープ、キャノン

学部

慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程 進学

■受賞

高戸 直之  慶應義塾大学大学院藤原賞
松下 大介  慶應義塾大学大学院理工学研究科国際会議論文発表奨励賞 ICIS 20007 ベストポスターアワード

■ その他

  • 研究室夏合宿(2007年8月、日光)。
  • 慶應-エコールセントラル(フランス) ダブルディグリー(交換留学)制度のもと、9月より、
    Sylvain Kuppel君(修士1年)が研究室の1員として加わった。

■ 学会活動等

  • 日本原子力研究開発機構 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
  • プラズマ・核融合学会 理事

■研究助成

  • 電力中央研究所、科研費特定領域研究分担金 他

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics