| 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 / 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 / 電子-イオン再結合 / 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 |
複数の分子イオン種を持つ水素同位体プラズマを対象とするため、流体コードを多流体（3流体）化し、ボーム条件などの境界条件やイオン種間同士の衝突をシミュレーションコードに組み込んだ。背景中性粒子として水素分子のみを与えた場合は、電子温度は1 eV以下に減少せず，電子－イオン再結合による非接触再結合プラズマの形成されないことが分かった。また、水素分子密度を増加するとプラズマを構成するイオン種が水素イオンH^+から水素分子イオンH_3^+に変化する。背景中性粒子として水素原子を導入すると、水素原子と水素イオンの荷電交換過程による運動量損失が優位となり、非接触再結合プラズマの形成が確認された。また，シミュレーションコードのプラズマモデルに熱流束制限効果を実装した。熱流束制限効果は，熱を運ぶ電子の平均自由行程長λが温度変化の特性長Lを大きく超える場合に発生する。λ≫Lの場合，熱流束は温度勾配にほぼ依存しなくなる。粒子・運動量・熱収支の一次元流体方程式を数値的に解くことで、直線型装置NAGDIS-IIのヘリウムにおける非接触再結合プラズマ形成に対して，熱流束制限効果の重要性が示された。
水素同位体の非接触再結合プラズマ生成を行う上で求められるプラズマの高密度化のために，水素プラズマ放電特性の調査を行い、その安定化と高密度化について調べた。放電電圧の上昇にともない放電は不安定化する。放電電圧はある水素ガス圧で極小値を示し，いわゆるパッシュン特性を示した。しかし放電電圧が最小となるガス圧は単純に放電部ガス圧では決定されず，放電部ガス圧とプラズマテスト領域の上流ガス圧のバランスによって決定される。最適化された条件で重水素放電を実施し，レーザートムソン散乱を用いて計測を行い，非接触再結合プラズマ実験に必要な10^19 /m^3以上の高密度プラズマが生成可能であることを明らかにした。
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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
水素同位体プラズマの非接触プラズマモデリングに関しては，分子イオンを考慮した3流体のシミュレーションコードを完成した。また，開発したコードを用いて，分子駆動再結合から電子－イオン再結合への遷移過程が詳細に調べられ，水素原子密度がキーパラメータであることを明らかにした。これらの成果について国内外の学会で発表を行っている。さらに，熱流束制限効果が非接触再結合プラズマ形成に与える影響について，国際共著論文としてまとめた。
また，実験においても，水素同位体プラズマの放電特性の最適化がなされ，水素同位体を用いた非接触再結合プラズマ形成実験を可能とした。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 |
シミュレーションにおいては，流体コードと運動論的効果を考慮した中性粒子輸送コードを結合させ解析を行い，特に，ヘリウムの準安定原子や水素原子・水素分子密度分布が非接触プラズマの空間構造に与える影響についても詳細に調べる。実験的には，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て，ヘリウム/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。アーベル変換やトモグラフィ解析を適用することで、局所における発光信号に変換し、衝突輻射モデルとの比較や機械学習（ニューラルネット）への展開を図る。また，同位体効果に着目して，水素プラズマ放電を行い、上流・中流・下流部に設置された１次元掃引型静電プローブと、下流域を径・軸方向に計測可能な２次元駆動静電プローブを用いて、水素プラズマの非接触化パラメータ条件を調査し、物理過程を明らかにする。また、軽水素/重水素とヘリウムの混合プラズマ中において、同位体の違いが非接触化過程に影響を明らかにする。さらに，加熱されたタングステン電極から熱電子放出現象を利用することで、非接触プラズマ中に高エネルギーのバルス状電子ビームを導入し，非接触プラズマダイナミクスの詳細計測を行う。
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