| Project/Area Number |
20H00138
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梶田 信 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00455297)
澤田 圭司 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
星野 一生 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50513222)
田中 宏彦 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60609981)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥44,460,000 (Direct Cost: ¥34,200,000、Indirect Cost: ¥10,260,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
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| Keywords | 核融合 / ダイバータ / 再結合プラズマ / 非接触プラズマ / 分子駆動再結合 / 電子-イオン再結合 / 分子活性化再結合 / 直線型高密度プラズマ発生装置 / 多流体プラズマシミュレーション / 非熱平衡過程 / 電子ーイオン再結合 / 多流体シミュレーション / 水素イオン / 水素分子イオン / 三体再結合 / 放射再結合 / プラズマ電位計測 / 流体コード / 衝突輻射モデル / 電子再加熱効果 / 非熱平衡 |
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| Outline of Research at the Start |
プラズマプロセッシングや核融合研究において重要な課題となっている気相中で消えるプラズマの物性を明らかにする。電子・イオン再結合（三体再結合，放射再結合）が主要な過程となる再結合プラズマ中の非熱平衡性，電位構造に関連した熱・粒子輸送過程を，直線型高密度プラズマ発生装置を用いた基礎実験とシミュレーションとの相補的な研究により明らかにする。また，振動励起水素分子により駆動される再結合（分子駆動再結合）プラズマ生成に関して，固体壁で生成される振動・回転励起水素分子の影響と同位体効果を明らかにする。さらに，再結合プラズマのパルス応答を高時間分解で調べ，時空間変化を決定する物理・化学過程を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
線型ダイバータプラズマ模擬実験装置NAGDIS-IIにおいて、二次元駆動ラングミュアプローブおよび大型可視分光器を用いて、ヘリウム・軽/重水素混合プラズマの非接触化に対する同位体効果を調査しました。得られた結果から、ヘリウム-軽水素混合プラズマにおいては、(i)電子温度が1 eV以上でも電子密度が減少する、(ii)低励起状態の水素中性原子の密度が比較的高い、などの結果から、装置上流側で分子活性化過程が支配的であることが確認されました。また、(ii)はHeHイオンの解離性再結合が重要であることを示唆しています。一方、ヘリウム-重水素混合プラズマでは、電子温度が1 eV以下で電子密度の急激な減少が見られたことから、純Heプラズマと同様に3体再結合過程が支配的であることが示されました。以上の結果から、ヘリウム・軽/重水素混合プラズマ中における同位体効果の存在が示されました。
電動アクチュエータのソフトウェア制御により径方向・軸方向の分光計測を可能とする2次元駆動分光システムを使用し、接触プラズマから非接触プラズマへの遷移時のプラズマのグローバルな構造変化を明確に観測しました。特に、体積再結合が発生する領域（再結合フロント）のプラズマ上流方向への移動とプラズマの構造変化の特性長が明らかになりました。また、取得した2次元分光データからプラズマ密度と温度を評価するために、同じ軸方向位置で分光データと静電プローブデータを取得し、機械学習により分光データからプラズマ密度と温度を評価する手法を開発しました。
開発した流体・中性粒子輸送統合コードを用いて、ヘリウム非接触プラズマの解析を行いました。Pythonを用いたコード実行の並列化を行い、計算速度が10倍以上向上し、リサイクリング粒子が非接触プラズマに与える影響を解析することが可能となりました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ヘリウムプラズマに軽水素，重水素プラズマを添加した場合の非接触プラズマ発生に関する同位体効果が明らかになった。また，開発した分光計測システムによる2次元分光計測と流体中性粒子統合コードの開発とそれらを用いたデータ取得も順調に進んでいる。これらの成果は，査読付学術論文2報と，4件の国際会議と8件の国会学会で発表を行っている。
以上より，研究は順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
・分子活性化再結合から電子-イオン再結合への遷移過程の解明：重水素プラズマに対して、上流・下流部にレーザートムソン散乱計測と分光計測システムを設置し、中性ガス圧を変化させた際の電子密度、電子温度、粒子束、プラズマ圧力、再結合に伴う発光スペクトルを詳細に計測し、プラズマの消失過程（分子駆動再結合から電子イオン再結合）の空間変化を実験的に明らかにする。また、軽水素と重水素プラズマのそれぞれにおいて、プラズマの消失過程の違い（同位体効果）を明らかにする。
・パルス電子ビーム源を用いた熱パルス印加による非接触再結合プラズマの時空間ダイナミックスの観測：開発した自己加熱型電子ビーム源を用い、分子駆動再結合が主な非接触再結合プラズマと電子-イオン再結合が主な非接触プラズマそれぞれに対し、ビーム電流、ビームエネルギー、ビーム幅（時間）を制御したパルス上電子ビームを印加し、非接触再結合プラズマの崩壊、回復の過程を観測し、熱パルスに対する時空間応答を明らかにする。
・ヘリウム/水素プラズマの広域分光計測による接触ー非接触プラズマの構造変化の解明：開発した電動アクチュエータのソフトウェア制御により、径方向・軸方向の分光計測を可能とする２次元駆動分光システムを用い、ヘリウム/重水素プラズマの径方向・軸方向分光計測を行い、発光スペクトル信号の大規模データセットを取得する。
・流体・中性粒子輸送統合コードを用いた非接触ヘリウム/水素プラズマの解析：開発した流体・中性粒子統合コードを用いて、非接触プラズマの解析を行う。ヘリウムプラズマにおいては、準安定原子が非接触再結合プラズマ形成に与える影響を明らかにし、さらにレーザー吸収分光で計測した準安定原子密度と温度の結果と比較する。また、水素プラズマにおいては、実験で観測された分子駆動再結合から電子イオン再結合への遷移過程を解析する。
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