Verification of efficient plasma heating by counter illuminating ultra-intense laser pulses

• Project/Area Number: 19H01870
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
• Principal Investigator: MORI Yoshitaka 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 准教授 (60440616)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩本 晃史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00260050) ; 梶村 好宏 明石工業高等専門学校, 電気情報工学科, 教授 (20403941) ; 花山 良平 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 准教授 (20418924) ; 石井 勝弘 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 教授 (30311517) ; 山ノ井 航平 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (30722813) ; 北川 米喜 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 特任教授 (40093405)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2019: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
• Keywords: 高エネルギー密度科学 / 高速点火 / 高強度レーザー / 対向照射 / 高速電子 / ワイベル不安定性 / 超高強度レーザー / プラズマ加熱 / 連続ターゲット供給

Outline of Research at the Start

高強度レーザーを照射することで実現される高エネルギー密度状態は、圧力１０ギガバールを超える恒星惑星中心の物性及び慣性核融合プラズマの研究基盤である。超高強度レーザーをプラズマへ対向照射すると、対向高速電子流による２流体ワイベル不安定性が生じ、プラズマ中にメガガウス級の強磁場が励起され、10%以上の高い加熱効率でプラズマが加熱されることを先行研究で明らかにした(森他, PRL2016)。本研究では、先行研究を発展させ、これまで体系的に明らかにされていない対向照射特有のレーザープラズマ相互作用及びエネルギー輸送を実験を中心に解明し、超高強度レーザーからプラズマへの加熱効率を探る。

Outline of Final Research Achievements

Counter illumination of ultra-intense laser is applied for efficient plasma heating. To clarify heating mechanism, Cu-doped deuterated target is developed to identify plasma temperature from characteristics X-ray and fusion reaction. In the laser illumination experiments with air breakdown, we found that counter illumination of intense create plasma void with size of 100 micron meter. The growth velocity of void reveals that fast electron flows possibly contribute for the void creation, leading to identification of efficient plasma heating mechanism. In addition, by introducing plasma mirror as a beam steering tool, we demonstrate two-sides counter ultra-intense irradiation platform for kJ-laser system with relativistic intensities for the first time.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

脱炭素化社会の実現にむけて、核融合エネルギーへの期待が高まっている。レーザー光を用いた核融合炉では、プラズマ状態にある高密度圧縮燃料へ超高強度レーザーを照射して燃料温度を増大させて核融合反応を促進し、点火燃焼する。今回取り組んだ対向照射方式では、従来の一方向照射くらべて、燃料の加熱率向上が示唆されている。今回、対向照射で発生する高速電子流の交差がプラズマ構造を形成することを見出し、一方向電子流と異なる現象の駆動力となりうる知見を得た。さらに、プラズマミラーと呼ばれる光学素子を導入し、キロジュール級高強度レーザーによる対向照射を世界に先駆けて実現した。

Research Products

• [Journal Article] Ten hertz bead pellet injection and laser engagement (2022)
  • Author(s): Y. Mori and K. Ishii and R. Hanayama and S. Okihara and Y. Kitagawa and Y. Nishimura and O. Komeda and T. Hioki and T. Motohiro and A. Sunahara and Y. Sentoku and A. Iwamoto and H. Sakagami and E. Miura and T. Johzaki
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 62 Issue: 3 Pages: 036028-036028
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac3d69
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高繰り返し運転への取り組み (2021)
  • Author(s): 岩本晃史、森芳孝、重森啓介
  • Journal Title: 電気学会誌 Volume: 141 Pages: 563-566
  • NAID: 130008081773
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 核融合ターゲット連続投入技術開発の現状と連続中性子発生 (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 西村 靖彦, 米田 修, 石井 勝弘, 花山 良平, 沖原 伸一朗, 北川 米喜, 岩本 晃史, 砂原 淳, 千徳 靖彦, 三浦 永祐, 坂上 仁志
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 49 Pages: 167-172
• [Journal Article] 対向照射による高エネルギー密度プラズマの加熱 (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 西村 靖彦, 花山 良平, 石井 勝弘, 北川 米喜, 米田 修, 関根 尊史, 竹内 康樹, 栗田 隆史, 砂原 淳, 千徳 靖彦, 三浦 永祐
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 49 Pages: 161-166
• [Journal Article] Verification of fast heating of core plasmas produced by counter- illumination of implosion lasers (2020)
  • Author(s): E. Miura, Y. Mori, K. Ishii, S. Sakatac, Y. Abec, Y. Arikawac, N. Nakajimac, R. Takizawac, H. Moritac, K. Matsuoc, S.R. Mirfayzic, A. Sunaharad, T. Ozakie, A. Iwamotoe, O. Komedaf, R. Hanayamab, S. Okiharab, Y. Sentokuc, S. Fujiokac, H. Sakagamie, T. Johzakig, Y. Kitagawa
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100890-100890
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100890
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monte Carlo particle collision model for qualitative analysis of neutron energy spectra from anisotropic inertial confinement fusion (2020)
  • Author(s): Y. Abe, T. Johzaki, A. Sunahara, Y. Arikawa, T. Ozaki, K. Ishii, R. Hanayama, S. Okihara, E. Miura, O. Komeda, S. Sakata, K. Matsuo, H. Morita, R. Takizawa, R. Mizutani, A. Iwamoto, H. Sakagami, Y. Sentoku, H. Shiraga, M. Nakai, S. Fujioka, Y. Mori, Y. Kitagawa
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 36 Pages: 100803-100803
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100803
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマミラーを用いたLFEXレーザー対向照射システムの概要 (2022)
  • Author(s): 森芳孝、小島完興, 池田智一, 山ノ井航平, 安部勇輝, 王雨波, 敦近原, 郭署旺, 浅野将唯, 前川環貴, 滝沢龍之介, 藤岡慎介, 三浦永祐,他
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 慣性核融合実験のプラズマ温度と密度計測のための新規高濃度Cuドープ重水素化ターゲットの開発 (2021)
  • Author(s): 池田智一，兼安裕美，細川仁美，重森啓介， 乗松孝好，森芳孝，Marilou Cadatal-Raduban，長井圭治，山 ノ井航平
  • Organizer: 第38回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] プラズマミラーを用いたLFEXレーザー対向照射プラズマ加熱実験 (2021)
  • Author(s): 森芳孝, 小島完興, 池田智一, 山ノ井航平, 安部勇輝, 嶽村真緒, 王雨波, 敦近 原, 郭署旺, 浅野将唯, 滝沢龍之介, 藤岡慎介, 三浦永祐,他
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Progresses of inertial fusion energy program at GPI Hamamatsu toward mini-reactor CANDY (2021)
  • Author(s): Y. Mori, K. Ishii, R. Hanayama, S. Okihara, Y. Kitagaw, O. Komeda, A. Sunahar, E. Miura, A. Iwamoto, T. Ozaki, H. Sakagami, T. Johzaki, Y. Sentoku, Y. Arikaw, Y. Abe, N. Nakajim, S. R. Mirfayzi, S. Sakata, K. Matsuo, S. Fujioka
  • Organizer: 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高強度レーザーの対向照射による高効率加熱の検証III (2021)
  • Author(s): 森芳孝, 岩本晃史, 澤田寛, 石井勝弘, 花山良平, 北川米喜, 佐野孝好, 岩田夏弥, 千徳靖彦, 砂原淳, 太田唯斗, 飯塚森人, 中右樹, 梶村好宏
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高強度レーザー対向照射実験における対向ビームアライメント (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 岩本 晃史, 澤田 寛, 石井 勝弘, 花山 良平, 北川 米喜, 佐野 孝好, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦, 砂原 淳, 中右 樹, 飯塚 森人, 太田 唯斗, 梶村 好宏
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第41回年次大会
• [Presentation] Present status of direct heating experiments of counter illuminated imploded core using GXII/LFEX (2020)
  • Author(s): Y. Mori他28名
  • Organizer: 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高強度レーザーの対向照射による高効率加熱の検証II (2020)
  • Author(s): 森芳孝, 岩本晃史, 澤田寛, 石井勝弘, 花山良平, 北川米喜, 佐野孝好, 岩田夏弥, 千徳靖彦, 砂原淳, 太田唯斗, 中右樹, 梶村好宏
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 高強度レーザーの対向照射による高効率加熱の検証 (2020)
  • Author(s): 森芳孝
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Book] Commercializing Fusion Energy: How Small Businesses are Transforming Big Science (2020)
  • Author(s): David Webbe-Wood, Satoshi Konishi, Shutaro Takeda, Yoshitaka Mori, 他12名
  • Total Pages: 250
  • Publisher: IOP Publishing Ltd
  • ISBN: 9780750327176