Research on the ablation process of solid hydrogen via internal measurements of high-density plasmoid

• Project/Area Number: 19K03803
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: Motojima Gen 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 固体水素 / 溶発 / 高速分光 / ファイバアレイ / 高速度カメラ / シュタルク拡がり / シュタルク広がり / 分光

Outline of Research at the Start

高速分光計測を用いて、磁場構造、背景プラズマ、プラズマ加熱条件が高密度プラズモイドの内部分布に与える影響について定量的に調べることが本研究の目的である。高密度プラズモイドとは固体水素が溶発した際にできるプラズマ塊である。イオン化されているため、磁場との相互作用を受けて複雑な挙動を示す。また、固体水素は一般的に背景プラズマからの熱流速によって溶発するが、加熱の際に生じる高速イオン、電子によっても溶発は影響を受ける。このため、上記の影響因子が高密度プラズモイドの内部分布および溶発量（溶発過程）にどのように影響を与えるのかを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we utilized a combination of a two-dimensional fiber array and a high-speed camera to conduct the world's first measurement of the two-dimensional spatial distribution of electron density inside low-ionization, high-density plasmoid (plasma clumps that form as a result of the sublimation of solid hydrogen, a nuclear fusion fuel) using the Heliotron J device at Kyoto University. These findings not only deepen our understanding of the basic mechanism of pellet ablation but also provide valuable information for comparison with ablation simulations.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

核融合プラズマへの燃料供給法として固体水素入射の確立は重要な課題である。本研究の成果は、固体水素の溶発素過程の理解に大きく貢献するものであり、核融合プラズマの高密度化と燃料供給の最適化に貢献できるものである。

Research Products

• [Int'l Joint Research] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [Int'l Joint Research] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [Int'l Joint Research] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [Journal Article] Measurement of <b>Pa</b>_<i>α</i> line from pellet ablation cloud in Heliotron J (2022)
  • Author(s): Iwata A.、Kado S.、Murakumo M.、Shikama T.、Motojima G.、Mori A.、Feng C.、Okada H.、Minami T.、Ohshima S.、Kobayashi S.、Ishizawa A.、Nakamura Y.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Issue: 11 Pages: 113537-113537
  • DOI: 10.1063/5.0101885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional dynamics of fluctuations appearing during pellet ablation process around a pellet in a fusion plasma experiment (2022)
  • Author(s): Ohshima S.、Suzuki T.、Matoike R.、Motojima G.、Kado S.、Mori A.、Miyashita A.、Kobayashi S.、Minami T.、Iwata A.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Zhang P.、Kondo Y.、Nishino N.、Mizuuchi T.、Okada H.、Konoshima S.、Inagaki S.、Nagasaki K.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 14204-14204
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18239-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-density experiments with hydrogen ice pellet injection and analysis of pellet penetration depth in Heliotron J (2019)
  • Author(s): Gen Motojima, Hiroyuki Okada, Hisashi Okazaki, S Kobayashi, Kazunobu Nagasaki, Ryuichi Sakamoto, Hiroshi Yamada, Shinichiro Kado, Shinsuke Ohshima, T Minami, Naoki Kenmochi, Yoshiaki Ohtani, Yuuki Nozaki, Yuma Yonemura, Yuji Nakamura, Shigeru Konoshima, Satoshi Yamamoto, Tohru Mizuuchi and Kiyomasa Watanabe
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 印刷中 Issue: 7 Pages: 075014-075014
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab1d40
  • Peer Reviewed
• [Presentation] パッシェンα線のゼーマン効果を用いたへリオトロン J 中水素ペレット溶発雲の位置計測 (2023)
  • Author(s): 村雲南斗, 四竈泰一, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, 茶谷智樹, 森敦樹, 岩田晃拓, 本島厳, 南貴司, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 西野信博, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸, 蓮尾昌裕
  • Organizer: 日本物理学会2023春季大会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおけるパッシェン系列を用いた小型水素ペレット溶発プラズモイドの電子温度推定 (2023)
  • Author(s): 岩田晃拓, 門信一郎, 本島厳, 四竈泰一, 村雲南斗, 森敦樹, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 稲垣滋, 金史良, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • Organizer: 日本物理学会2023春季大会
• [Presentation] Spatio-temporal structure of pellet-plasmoid in high-temperature plasmas (2022)
  • Author(s): G. Motojima, S. Kado, S. Ohshima, A. Mori, T. Suzuki, N. Panadero, K. J. McCarthy, M. Goto, R. Sakamoto, K. Nagasaki
  • Organizer: 6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 9-14 Oct, 2022, Remote e-conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent Development of Near-infrared Spectrometry in the Application to Fusion-relevant Magnetic Confinement Plasmas (2022)
  • Author(s): S. Kado, A. Iwata, T. Shikama, Y. Iida, G. Motojima and Heliotron J team
  • Organizer: 20TH INTERNATIONAL CONGRESS ON PLASMA PHYSICS, November 27-December 2, 2022 GYEONGJU, KOREA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Measurement of Paα Line from Pellet Ablation Cloud in Heliotron J (2022)
  • Author(s): A. Iwata, S. Kado, M. Murakumo, T. Shikama, G. Motojima, A. Mori, C. Feng, H. Okada, T. Minami;, S. Ohshima, S. Kobayashi, A. Ishizawa, Y. Nakamura, S. Konoshima, T. Mizuuchi, K. Nagasaki
  • Organizer: High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD), New York, on May 15-19, 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] へリオトロンJ中水素ペレット溶発プラズマのパッシェンα線ゼーマン効果計測 (2022)
  • Author(s): 村雲南斗, 四竈泰一, 茶谷智樹, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, 森敦樹, 岩田晃拓, 本島厳, 南貴司, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 西野信博, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸, 蓮尾昌裕
  • Organizer: 物理学会2022秋季大会
• [Presentation] 小型ペレット溶発雲におけるシュタルク広がり計測への装置関数の影響 (2022)
  • Author(s): 岩田晃拓, 門信一郎, 本島厳, 四竈泰一, 村雲南斗, 森敦樹, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 稲垣滋, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • Organizer: 日本物理学会2022秋季大会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける2次元高速分光計測器を用いた水素ペレット溶発雲の計測 (2021)
  • Author(s): 森敦樹, 門信一郎, 本島厳, 岩田晃拓, 岡野竜成, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長崎百伸
  • Organizer: 第38回プラズマ・核融合学会
• [Presentation] ペレット溶発過程に観測されたフィラメント状揺動の特性 (2021)
  • Author(s): 鈴木琢土, 大島慎介, 森敦樹, 的池遼太, 宮下顕, 本島厳, 門信一郎, 南貴司, 小林進二, 長﨑百伸, 西野信博, 水内亨, 岡田浩之, 木島滋
  • Organizer: 第38回プラズマ・核融合学会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおけるペレット溶発雲の2次元計測のための変倍分光器の開発 (2020)
  • Author(s): 森敦樹, 門信一郎, 本島厳, 岩田晃拓, 岡野竜成, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長崎百伸
  • Organizer: 第３７回プラズマ・核融合学会
• [Presentation] ヘリオトロンJの固体水素ペレット入射実験における真空紫外スペクトルの時間発展計測 (2020)
  • Author(s): 岡野竜成, 門信一郎, 岩田晃拓, 森敦樹, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 本島厳, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • Organizer: 第３７回プラズマ・核融合学会
• [Presentation] ヘリオトロンＪペレット入射プラズマの分光診断 (2020)
  • Author(s): 門信一郎, 清水佑馬, 本島厳, 岡野竜成, 岩田晃拓, 岡田浩之, 南貴司, 小林進二, 大島慎介, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける固体水素ペレット溶発プラズモイド由来のシュタルク広がりを持つスペクトルの測定 (2019)
  • Author(s): 清水佑馬, 門信一郎，本島厳，岡田浩之，南貴司，大島慎介，小林進二， 中村祐司，石澤明宏，木島滋，水内亨，長崎百伸，岩田晃拓，岡野竜成， 森敦樹
  • Organizer: 第３６回プラズマ・核融合学会
• [Remarks] 核融合プラズマへの燃料供給ペレット周辺の極限状況下に現れる“揺らぎ”構造の発見
  • URL: https://www.nifs.ac.jp/news/collabo/220930.html
• [Remarks] 核融合プラズマへの燃料供給ペレット周辺の極限状況下に現れる“揺らぎ”構造の発見
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/sites/default/files/2022-09/220930_ohshima-d9cbe67cc245ecd478c4bce8597cb588.pdf