2008年度 畑山研究室

■構成

教授

畑山明聖(教授)

大学院

稲森隼平(M2) 松下大介(M2) 藤野郁朗(M2) Sylvain Kuppel(M2)
藤間光徳(M1) 古林真彦(M1) 吉成翔(M1) 本間裕貴(M1) 前木香織(M1)
Benoit Hallinger(M1)

学部

寺崎良 早見隆宏 東山知彦 伏原潤 横田修平 和田将平

■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、モンテカルロモモデルを開発し、ELM時の電子速度分布関数と水素原子励起過程とを矛盾無く解析することを可能とした。[稲森修士論文、論文7)]。

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。昨年度までに、高Z不純物輸送コード(IMPGYRO code)の開発をほぼ完了した。今年度は、周辺プラズマ統合コード化を目指し、1)プラズマ-壁相互作用解析コード(EDDY)との結合、2)背景プラズマコード(SOLPS)との結合を行なった。1)については、徳島大学との共同研究、2)については、マックスプランクプラズマ物理研究所、パリ13大学との共同研究である。1)については、結合を完了し、初期解析を開始した[論文1)、2)、6)、学会発表2)、5)、7)、8)]。2)については、結合の基本思想をかため、具体的作業に着手した。結合コードは、マックスプランクプラズマ物理研究所のトカマク装置ASDEX-Uの実験解析に適用される。

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を、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進めてきた。今年度、とくにJT-60Uにおけるタングステン不純物のダイバータ板、炉壁への再堆積分布の解析に、上記、IMPGYRO codeを適用したいとの要請があり、その解析に着手した[学会発表7)]。

B. ダスト解析コードの開発

A2で述べた原子レベルの不純物に加え、今年度から数μ~100μmのダスト不純物がダイバータ板より発生する。ダストの炉心プラズマへの混入は、炉心プラズマ性能の劣化を引き起こす。今年度より、あらたにダストのプラズマ中での蒸発・溶融・輸送モデルの構築に着手した。[東山卒論]。

[ 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。今年度は、PICシミュレーションにより、負イオンのイオン源からの引き出し過程について検討した。シミュレーション結果と実験結果とを比較し、引き出し電極へのバイアス電圧印加による負イオン引き出し電流増加の物理機構を明らかにした。[松下修士論文、論文5)、国際会議発表1)、2)、学会発表3)、4)]

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。今年度は、さらに実験との直接比較を目指し、解離生成高速水素原子によるHα線発光強度および線幅の評価を行い、分光測定器に関する要求仕様を明らかにした。[伏原卒論]。

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。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。しかしながら、引き出し確率の絶対値は、実験結果より小さくなる傾向にある[論文4)]。 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関数

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なってきた。さらに、電子に対する非弾性衝突、弾性衝突を考慮し、電子のエネルギー緩和過程のモデリングを進め、イオン源内の電子速度分布関数を求めることが可能となった。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定性的に良く合う(藤野修論)。また、電子速度分布関数と同時に、負イオン生成に重要な役割を果たす振動励起水素分子の各励起状態占有密度の計算を可能とした(寺崎卒論)。今後、閉じ込め磁場、シース電場などの効果を考慮して、実験結果との定量的な比較を目指す。
以上の他、今年度、RF負イオン源の初期放電動作の解析(早見卒論)、負イオンビームの収束性の解析(和田卒論)などにも着手した。

[電気自動車の走行中充電のシミュレーション]

今年度、電気自動車の電磁誘導による走行中充電の可能性検討を研究テーマの一つとして取り上げた(横田卒論)。

■発表論文・学会発表など

著書

畑山明聖、櫻林徹 共著: 「工学・物理のための基礎ベクトル解析」2009年3月、コロナ社.

論文

  1. M. Toma, K. Hoshino, K. Inai, M. Furubayashi, A. Hatayama, K. Ohya,
    “Coupled IMPGYRO-EDDY simulation of tungsten impurity transport in tokamak geometry”, J. Nucl. Mater. (2009) in Press.
  2. K. Hoshino, M. Toma, M. Furubayashi, A. Hatayama, K. Inai, K. Ohya, “Numerical Analysis of Incident Angle of Heavy Metal Impurity to Plasma Facing Components by IMPGYRO”, J. Nucl. Mater., in Press.
  3. M. Furubayashi, M. Toma, A. Hatayama, D. Coster, R. Schneider, X. Bonnin, H. Kawashima, N. Asakura, Y. Suzuki, “Comparison of kinetic and fluid neutral models for attached and detached state”, J. Nucl. Mater., (2009) in Press.
  4. D. Matsushita ,N.Takado, A.Hatayama,T.Inoue, “Numerical analysis of H- ion transport processes in Cs-seeded negative ion sources”, Review of Scientific Instruments 79, 02A527(2008).
  5. A.Hatayama, “Progress in modeling and numerical simulation of negative hydrogen ion sources ”, Review of Scientific Instruments 79, 02B901(2008).  (invited review paper)
  6. M. Toma, K. Hoshino, K. Inai, M. Ishida, A. Hatayama, K. Ohya,
    “Analysis of the high-Z impurity transport in a Tokamak by the IMPGYRO code”, J. Plasma Fusion Res., in Press.
  7. J. Inamori, I.Fujino, A.Hatayama, “Modeling of the interaction between electrons and neutral excited particles during ELM burst”, J. Plasma Fusion Res., in Press..
  8. K. Miyamoto, A. Hatayama, Theoretical study of the electrostatic lens aberrations of negative ion accelerator for neutral beam injector, J. Plasma Fusion Res, 4, 007_1-007_12 (2009).
  9. 畑山 明聖、滝塚 知典、連載講座、“今、核融合炉が熱い!-数値モデリングでチャレンジ”、第1回 Ⅱ-1 壁の前で何が起きているか?”, 日本原子力学会誌, 50, 378-383 (2008).
  10. 畑山 明聖、滝塚 知典、連載講座、“今、核融合炉が熱い!-数値モデリングでチャレンジ”、第2回 Ⅱ-2 壁の前で何が起きているか?”, 日本原子力学会誌, 50, 443-447 (2008).

国際会議

  1. D. Matsushita, S. Kuppel, A. Hatayama, A. Fukano, M. Bacal,
    “Modeling of the plasma electrode bias in the negative ion sources with 1D PIC method”, in Proc. the 1st International Symposium on Negative Ions, Beams, and Sources (NIBS 2008), Aix-en-Provence, France, Sep 2008. (AIP Conference Proceedings Vol, 1097, Melville, New York 2009, p. 38-46).
  2. Kuppel, D. Matsushita, A. Hatayama, M. Bacal,
    “Numerical analysis of Electronegative Plasma near the Extraction Grid in Negative Ion Sources”, in Proc. 1st International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources, Aix-en-Provence, France, September 2008. (AIP Conference Proceedings Vol, 1097, Melville, New York 2009, p. 55-64).

国内学会、研究会

  1. 石田真彦, 星野一生, 藤間光徳, 畑山明聖, D. Coster, R. Schneider, X. Bonnin, 川島寿人, 朝倉伸幸,
    「核融合境界層プラズマ中の中性粒子に対する流体モデルと粒子モデルとの比較」, 第7回核融合エネルギー連合講演会,21J17,青森県青森市,2008年6月.
  2. 藤間 光徳, 星野 一生, 井内 健介, 石田 真彦, 畑山 明聖, 大宅 薫,
    「トカマク不純物輸送コードIMPGYROと損耗・再堆積コードEDDYとの結合」,第7回核融合エネルギー連合講演会, 21J16, 青森県青森市, 2008年6月.
  3. S. Kuppel, D. Matsushita, A. Hatayama, M. Bacal,
    「負イオン源引き出し領域における負性プラズマの数値解析」,第7回核融合エネルギー連合講演会,19C16,青森県青森市,2008年6月.
  4. 松下 大介,クッペル・シルヴァン,藤野 郁朗,寺崎 良 畑山 明聖, マーサ・バカール:
    「水素負イオン源引き出し領域におけるプラズマのPICシミュレーションによる解析」,プラズマ・核融合学会 第25回年会,4aA21P,栃木県宇都宮市,2008年12月.
  5. 藤間 光徳, 星野 一生, 石田 真彦, 畑山 明聖,
    「トカマクプラズマに対するタングステン不純物の影響の評価」,プラズマ・核融合学会 第25回年会, 4aA16P, 栃木県宇都宮市, 2008年12月.
  6. 吉成翔, 畑山明聖, 藤野郁朗, 松下大介, 早見隆宏,
    「RF水素負イオン源における電子速度分布関数の解析」,プラズマ・核融合学会 第25回年会,4aA20P,栃木県宇都宮市,2008年12月.
  7. 星野一生、藤間光徳、畑山明聖、清水勝宏、滝塚知典、上田良夫、仲野友英、朝倉伸幸
    「IMPGYROコードによるJT-60Uのタングステン堆積分布の数値解析」プラズマ・核融合学会 第25回年会、4aA04P、栃木県宇都宮、2008年12月.
  8. 星野一生、藤間光徳、井内健介、石田真彦、畑山明聖、大宅 薫、
    「IMPGYROコードによるトカマク周辺プラズマにおける重金属不純物輸送のシミュレーション」、第2回シミュレーション科学シンポジウム、P17、岐阜、2008年9月.
  9. 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、2008年7月.
  10. 畑山明聖、「ダイバータモデリング及び数値シミュレーションの現状」、筑波大学プラズマ研究センターセミナー “国内外におけるダイバータ研究“、筑波大学、2008年8月. 他

*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3、国内学会1 :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(独)
論文1, 2, 6 、国内学会2, 8 : 徳島大学、日本原子力研究開発機構
国内学会7: 大阪大学、日本原子力研究開発機構
国際会議1, 2 国内学会3, 4:エコール・ポリテクニーク(仏)
論文8: 鳴門教育大学

■ 学位論文
修士論文

稲森隼平   ELMバースト時における中性粒子-電子間の相互作用のモデリング
松下大介   水素負イオン源引き出し領域におけるプラズマ特性の解析
藤野郁朗   Analysis of Electron Energy Distribution in Arc-Discharge Negative Ion Sources with Monte-Carlo Simulation
卒業論文

寺崎 良   水素負イオン源内における振動励起分子の解析
早見隆宏   RF負イオン源の初期放電動作の理解
東山知彦   トカマク中におけるダストのモデリング
伏原 潤   負イオン源におけるHa 線を利用した高速水素原子直接測定法の理論的評価
横田修平   電気自動車の電磁誘導による走行中充電の検討
和田将平   中性粒子ビーム入射装置用加速器の収束性に関する理論的研究

■進路

大学院
NTTファシリティーズ、富士ゼロックス、電源開発

学部
東芝、三菱重工、慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程 進学

■受賞

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

■ その他

研究室夏合宿(2007年7月 箱根芦ノ湖キャンプ村)。

8月に研究室OB会を日吉来往者ファカルティラウンジで開催した。当日、大阪など遠方から駆けつけたOBを含め、65名の出席者があり盛会であった。

Keio-EC ダブルディグリー制度により、フランス人留学生1名(Hallinger君)、また、慶應から第1期生として渡仏し、帰国した2名(本間君、前木君)、計3名が、9月入学者として研究室に加わった。

11月にマックスプランクプラズマ物理研究所よりR.Schenider,M.Konstatin 両博士が研究室を訪問・滞在し、共同研究を行なった。

藤間君(M1)、前木君(M1)が、3月パリ13大学を訪問、2週間滞在し、共同研究を行なった。

■ 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(広報委員長)

■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