構成

助教授
畑山 明聖
大学院
森下 卓俊 (D3)、宮本賢治(D1)、櫻林 徹 (M2)、秋山 尚樹 (M1)、石井 幸夫 (M1)、 大西 純 (M1)、 北出 祐基 (M1)、小松 直人 (M1)、平野 真理子 (M1)
学部
伊東優、大西卓哉、清野直希、牧野航介

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。Detachment現象を理解するには、プラズマと中性ガスの両 についての総合的なモデリングが必要となる。そこで我々は、水素中性原子、分子の輸送について拡散近似と衝突確率法を組み合わせたハイブリッドモデルの開発を試みた。磁力線方向の中性粒子の輸送については、拡散近似を用いて記述する。一方、プラズマ密度及び温度の特性長が短い径方向の中性粒子の輸送については、運動論的効果をとりいれることできる衝突確率法を適用し、計算セル内での粒子数の保存が成り立つように両者を結合する。モデルの妥当性の検討のために、PISCES-A装置によるガスダイバータ実験の解析にモデルを適用した。原子密度及び分子密度についての実験結果を解釈するためには、原子の壁での再結合と分子としての再放出が重要な過程であることが示唆された[論文(1)]。また、プラズマ体積中での再結合過程において、その重要性が指摘されている分子活性化再結合についてのモデリングにも着手し、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[口頭発表(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に 着手した[口頭発表(1)]。

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、iイ オン音速に達する高速流の発生[論文(2)]、ii) ダイバータ粒子負荷の非対称性の反転[論文(3)]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に着手した[口頭発表(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。電力中央研究所等との共同研究によりRS配位トカマク炉の概念設計を行った[論文(5)]。

[ 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[論文(4)]。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[口頭発表(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。今年度は、負イオン生成において重要な役割を果たす振動励起分子の反応過程に対する衝突輻射モデル適用の妥当性について検討している[口頭発表(4)]。また、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。

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 [口頭発表(5)]。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[口頭発表(6)]。また、上記、B同様、このコードを用いて、大型負イオン源装置Camembert IIIの実験解析が進められている[口頭発表(5)]。

[ 熱プラズマのモデリング ]

昨年度より新たに、環境問題等へ応用されるRF熱プラズマのモデリングに着手した。 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、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。来年度以降の具体的なシミュレーション及び実験との比較を目標に、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, Y. Fukai, Y. Kawakami and K .Yamada, “Modeling of Neutral Transport in Linear Divertor Plasma Using First Flight Collision Probability Method”, J. Nucl. Sci. Technol. 37 (2000) 368-379

(2) A. Hatayama, H. Segawa, R. Schneider, D. P. Coster, S Sakurai, N. Hayashi, N. Asakura and M. Ogasawara : “High Mach Flow Associated with X-point MARFE and Plasma Detachment “, Nucl. Fusion .40 (2000) 2009-2021.

(3) A. Hatayama, H. Segawa, N. Komatsu, R. Schneider, D. P. Coster, S. Sakurai, 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.

(4) T. Morishita, M. Ogasawara and A. Hatayama: “Modeling of Electron Temperature in H- Ion Source”, Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000) 2809-2815.

(5) Y. Asaoka, K. Okano, T. Yoshida, K. Tomabechi, Y. Ogawa, N. Sekimura, Y. Fukai, A. Hatayama, N. Inoue, A. Kohyama, S. Ymasaki and S. Mori: “Cnceptual Design of Breeding Blancket with Super-Heated Steam Cycle for CREST-1” , Fusion Eng. Design , 48 (2000) 397-405.

解説論文

(1) 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.

口頭発表

(1)平野真理子、畑山明聖、小松直人、宮本賢治、伊東優：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、プラズマ核融合学会第１７回年会、2000年11月.

(2)小松直人、畑山明聖、平野真理子、宮本賢治、R.Schneider、D.P.Coster、櫻井真 治、朝倉伸幸： 　B2-EIRENEコードを用いたW型ダイバータプラズマの解析、プラズマ核融合学会第１ ７回年会、2000年11月.

(3)森下卓俊、柏木恵美子、奥村義和、花田磨砂也、渡辺和弘、小笠原正忠、畑山明 聖：水素負イオン源に 　おけるセシウム添加効果、プラズマ核融合学会第１７回年会、2000年11月.

(4)石井幸夫、畑山明聖、櫻林徹、森下卓俊、深野あずさ、小笠原正忠：負イオン源 内の振動励起分子の輸 　送シミュレーション、プラズマ核融合学会第１７回年会、2000年11月.

(5)櫻林徹、畑山明聖、森下卓俊、小笠原正忠、M.Bacal：負イオン源（Camembert III）おける負イオンの数値シミュレーション、プラズマ核融合学会第１７回年会、2000年11月.

(6)牧野航介、櫻林徹、畑山明聖、宮本賢治、小笠原正忠：モンテカルロ輸送コード による負イオン引き出し口付近の負イオン速度分布の解析、プラズマ核融合学会第１７回年会、2000年11月.

(7)宮本賢治、畑山明聖、石井幸夫、深野あずさ：非接触ダイバータプラズマ中での 再結合過程に対する負イオンの効果、日本物理学会、第５６回年次大会、2001年3月.　他３件

登録特許

  • 核融合装置における磁場測定方法（登録番号　特許3037765号）
  • 核融合炉におけるプラズマ制御装置（登録番号　特許2010329号）

学位論文

博士論文（主査）

  • 森下卓俊：水素負イオン源における負イオン生成に関する研究（計測工学専攻）

博士論文（副査）

  • 後藤直彦：プラズマシース共鳴を用いた容量性結合プラズマの制御に関する研究 （電気工学専攻）
  • 松井潤：プラズマエッチングにおける荷電粒子輸送と基板チャージング （電気工学専攻）

修士論文

  • 櫻林徹：水素負イオン源における負イオン輸送の数値シミュレーション

卒業論文

  • 大西 卓哉：高周波誘導結合プラズマ中における微粒子の挙動解析
  • 清野直希：高周波ループ電流により誘起されたプラズマ中の電磁界解析
  • 牧野航介：モンテカルロ輸送コードによる負イオン引き出し口付近の負イオン速度分布の解析

進路

日本原子力研究所博士研究員，東芝，富士通，慶應義塾大学大学院理工学研究科

その他

  • 早大、東京農工大と合同夏合宿（2000年８月）。
  • マックスプランクプラズマ物理学研究所に客員研究員として招聘された（2000年 9月）。
  • エコールポリテクニーク M.Bacal博士が研究室訪問・共同研究を行った（2000年 10月）。
  • OB会（2000年12月:於　矢上新棟-創想館）。

学会活動

  • 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
  • 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

研究助成

電力中央研究所、日本原子力研究所