構成

畑山 明聖 (教授)

大学院
宮本賢治(D2)、櫻林 徹 (D2)、牧野航介(M2)、宮本崇司(M2)、葛山康志（M1）、畑和幸（M1）、兵頭幾也（M1）、水野貴敏（M1）、武藤忍（M1）

学部
伊東優（B4）、今井尚貴（B4）、岩沙卓也（B4）、坂田絢子（B4)、高戸直之（B4)、中神史幸（B4)、野田信悟（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、今年度、分子の空間的な輸送が再結合反応に及ぼす影響などについて調べた。[論文(1)、(2)、学会発表(2)]。また、今年度より、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に着手した。

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行った。[論文(3)]さらに、今年度より、プラズマ粒子とダイバータ表面相互作用を、分子動力学モデルを用いて解析するための準備をはじめている。

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、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、とくに、ダイバータ領域でのプラズマ流速に及ぼす効果を検討した

[国際会議(１)]。

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、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。

[ 負イオン源に関する研究 ]

A. 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。

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明らかにした。今年度は、クーロン衝突に加えて、中性原子との衝突による負イオンエネルギーの緩和過程のモデリングを行った。

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。

[ 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試みている。

発表論文・学会発表など

論文

  1. K.Miyamoto, Y Ishi, A.Hatayama “Effect of Finite Relaxation Time on Modeling Neutral Transport in Hydrogen Plasma”, J.Appl.Phys, 313-316 (2003) 1036-1040.
  2. K.Miyamoto, A.Hatayama, Y Ishi, T. Miyamoto and A. Fukano: “Effect of Transport on MAR in Detached Divertor Plasma”, J.Nucl.Mater. 313-316 (2003) 1036-1040.
  3. I.Hyodo, M.Hirano, K.Miyamoto, K.Hoshino and A.Hatayama: “Multi-Dimensional Impurity Transport Code by Monte Carlo Method Including Gyro-Orbit Effects”, J.Nucl.Mater. 313-316 (2003) 1183-1187.

国際会議

  1. A.Hatayama K. Hoshino, K. Miyamoto, N. Komatsu, K. Itami, S. Sakurai, N. Asakura, Y. Miura,
    K. Shimizu, R. Schneider , D.P. Coster , “High Mach Flow Associated with Plasma Detachment in
    JT-60U”, in Proc. 19th IAEA Fusion Energy Conference, Lyon, France, Octorber, 2002.

国内学会

  1. 星野一生、宮本賢治、畑山明聖、伊丹潔、櫻井真治、朝倉伸幸、三浦伸幸、清水勝宏：高速流に対するダイバータ幾何形状効果、プラズマ核融合学会代１９回年会、２００２年１１月.
  2. 宮本崇司、宮本賢治、畑山明聖、高戸直之：非接触ダイバータプラズマにおける分子活性再結合の解析、プラズマ核融合学会代１９回年会、２００２年１１月.
  3. 牧野航介、櫻林徹、畑山明聖、宮本賢治、小笠原正忠：負イオン源における負イオンのエネルギー緩和過程のモデリング-中性粒子との弾性衝突の効果-、プラズマ核融合学会代１９回年会、２００２年１１月.

学位論文

修士論文

  • 牧野航介　負イオン源における負イオンのエネルギー緩和過程のモデリン
  • 宮本崇司　非接触ダイバータにおける分子活性化再結合の解析

卒業論文

  • 伊東　優　シースプラズマの粒子シミュレーション
  • 今井尚貴　負イオン源内カスプ磁場におけるプラズマ輸送過程の流体シミュレーション
  • 岩沙卓也　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
  • 坂田絢子　熱プラズマ中における微粒子挙動のモデリング
  • 高戸直之　水素負イオン源における励起水素原子のモデリング
  • 中神史幸　シース理論と炎の整流作用
  • 野田信悟　ダイバータプラズマにおけるELM(Edge-Localize Mode)のモデリング

進路

大学院

  • 牧野航介　松下電器　2名

学部

  • 慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程　5名
  • プロフェッショナル・ネットワークス

その他

  • 研究室夏合宿（2002年８月、富士緑の休暇村）。
  • 日本学術振興会日中拠点大学交流事業の一環として、11月に中国科学院プラズマ物理研究所（合肥）を訪問し、ダイバータプラズマのシミュレーションについての講演を行うとともに、共同研究を行った。

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