Development of High-quality Diamond Capsule and Application to Direct-drive Inertial Confinement Fusion

• Project/Area Number: 22KJ2224
• Project/Area Number (Other): 22J22774 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 川崎 昂輝 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 多結晶ダイヤモンド / 化学気相成長法 / レーザー核融合 / ダイヤモンドカプセル / レーザープラズマ相互作用 / 水素イオン / ナノ多結晶ダイヤモンド

Outline of Research at the Start

ダイヤモンドはレーザー核融合のカプセル材として有望視されている．レーザー核融合発電への応用を見据え，大量生産への適用が容易な熱フィラメント気相成長法による高品質なダイヤモンド燃料カプセル製作法を確立する．また，近年注目されている衝撃波点火レーザー核融合に関する研究を進める．衝撃波点火法ではレーザープラズマ相互作用により発生する高速電子の制御が重要な課題である．高速電子発生はプラズマ中の水素に依存するため，カプセル材（アブレータ）の水素成分により高速電子の制御を目指す．その際，多結晶ダイヤモンドは粒界に水素を含有できるため，ダイヤモンドカプセルにおいての水素成分の最適化も実施する．

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドカプセル開発研究に関して、成膜パラメータの最適化を見据え、ダイヤモンド成長の基板温度依存性を実験的に検証した。まず基板温度のみを独立に制御できる実験系を構築し、基板温度を1000度程変化させた成膜実験を実施した。この際、基板温度は、熱電対を取り付けた擬似サンプルの測定によって事前に評価した。実験結果からダイヤモンド成膜に必要な基板温度には閾値が存在し、基板温度の上昇と共に成長速度が増加するという、妥当な結果が得られた。現在はこれらの実験サンプルの特性評価を実施しており、基板温度が結晶性や非ダイヤモンド成分含有量に与える影響に関する知見を得られる予定である。レーザープラズマ相互作用の研究については、前年度に得ていた実験データにおいて、水素を含むプラズマにおいて、誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering: SRS）、二電子崩壊不安定性（Two Plasmon Decay: TPD）、そして高速電子の発生量が顕著に増加することを説明するために、輻射流体シミュレーションを実施し、水素添加によるプラズマパラメータの変化を解析した。結果として、水素の有無によって電子温度やプラズマスケール長等の一般的にSRSおよびTPDの閾値に影響を与えるパラメータについては、大きな差異は見られなかった。一方で水素イオンの添加によりイオン音波減衰率が顕著に増加することから、SRSやTPDによって発生した電子プラズマ波がイオン音波を媒介して崩壊するラングミュア崩壊不安定性（Langmuir Decay Instability: LDI）等の二次的な電子プラズマ波の崩壊がSRSとTPDの閾値を決定したことが分かった。これは、SRSとTPDをプラズマ中の水素含有率によって制御できることを示しており、レーザー核融合のターゲットデザインにおいて重要な知見であるといえる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ダイヤモンドカプセル開発に関して、当初の予定通り、合成パラメータの最適化を進めており、実験データの蓄積も順調に進んでいるため。またレーザープラズマ相互作用に関する実験から、ターゲット材の水素含有率により、SRS、TPD、そして高速電子を制御できることがわかり、そのメカニズムについても明らかになったため。

Strategy for Future Research Activity

合成パラメータの最適化については引き続き実験を進める。また得られている実験サンプルの特性評価を進めることで、ダイヤモンド膜質の水素含有率および表面平滑性に対する合成パラメータ依存性を得ることを計画している。レーザープラズマ相互作用の研究については、ターゲット材の水素含有率の効果が現れるプラズマ条件を明らかにすることを計画している。プラズマパラメータによっては、二次的な電子プラズマ波の崩壊機構（水素の効果）よりもランダウ減衰等の他の崩壊機構が顕著になることが予想され、異なる条件で支配的なパラメータを明らかにすることが重要である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] INO-CNR(イタリア)
• [Journal Article] Effects of hydrogen concentration in ablator material on stimulated Raman scattering, two-plasmon decay, and hot electrons for direct-drive inertial confinement fusion (2023)
  • Author(s): Kawasaki K.、Cristoforetti G.、Idesaka T.、Hironaka Y.、Tanaka D.、Batani D.、Fujioka S.、Gizzi L. A.、Hata M.、Johzaki T.、Katagiri K.、Kodama R.、Matsuo S.、Nagatomo H.、Nicolai Ph.、Ozaki N.、Sentoku Y.、Takizawa R.、Yogo A.、Yamada H.、Shigemori K.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 3 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.033051
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multibeam laser-plasma interaction at the Gekko XII laser facility in conditions relevant for direct-drive inertial confinement fusion (2023)
  • Author(s): Cristoforetti G., Koester P., Atzeni S., Batani D., Fujioka S., Hironaka Y.、Huller S.、Idesaka T.、Katagiri K., Kawasaki K., Kodama R., Mancelli D., Nicolai Ph., Ozaki N.、Schiavi A.、Shigemori K.、Takizawa R., Tamagawa T., Tanaka D., Tentori A., Umeda Y., Yogo A., Gizzi L. A.
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 11 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1017/hpl.2023.13
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of nanocrystalline diamond capsules by hot-filament chemical vapor deposition for direct-drive inertial confinement fusion experiments (2023)
  • Author(s): Kawasaki K.、Yamada H.、Nagatomo H.、Hironaka Y.、Yamanoi K.、Tanaka D.、Idesaka T.、Mokuno Y.、Chayahara A.、Shimaoka T.、Mima K.、Somekawa T.、Tsukamoto M.、Sato Y.、Iwamoto A.、Shigemori K.
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 135 Pages: 109896-109896
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an experimental platform for the investigation of laser plasma interaction in conditions relevant to shock ignition regime (2022)
  • Author(s): T. Tamagawa, Y. Hironaka, K. Kawasaki, D. Tanaka, T. Idesaka, N. Ozaki, R. Kodama, R. Takizawa, S. Fujioka, A. Yogo, D. Batani, Ph. Nicolai, G. Cristoforetti, P. Koester, L. A. Gizzi, and K. Shigemori
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Issue: 6 Pages: 063505-063505
  • DOI: 10.1063/5.0089969
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接照射型レーザー核融合におけるレーザープラズマ相互作用のターゲット材水素含有率依存性 (2023)
  • Author(s): 川﨑昂輝, CHRISTOFORETTI Gabriele, 井手坂朋幸, 弘中陽一郎, 田中大裕, BATANI Dimitri, 藤岡慎介, GIZZI Leonida, 畑昌育, 城﨑知至, 片桐健登, 兒玉了祐, 長友英夫, 尾崎典雅, 千徳靖彦, 瀧沢龍之介, 余語覚文, 山田英明, 重森啓介
  • Organizer: プラズマ・核融合学会
• [Presentation] 直接照射型レーザー核融合のためのダイヤモンド燃料カプセルの開発 (2023)
  • Author(s): 川﨑昂輝，山田英明，長友英夫，弘中陽一郎，山ノ井航平，田中大裕，井手坂朋之，杢野由明，茶谷原昭義，嶋岡毅紘，三間國昭，染川智弘，佐藤雄二，塚本雅裕，岩本晃史，重森啓介
  • Organizer: 2023年レーザー学会第43回年次大会
• [Presentation] Ultrahigh Pressure Creation by Hot Electron-Assisted Laser Ablation (2022)
  • Author(s): K. Kawasaki, Y. Hironaka, D. Tanaka, T. Idesaka, K. Yamanoi, R. Takizawa, S. Fujioka, A. Yogo, H. Nagatomo, Y. Sentoku, Y. Arikawa, N. Ozaki, R. Kodama, K. Katagiri, K. Mima, Y. Mori, T. Jozaki, H. Yamada, D. Batani, G. Cristoforetti, and K. Shigemori
  • Organizer: Optics and Photonics International Congress (OPIC) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of Diamond Capsule and Implosion Experiments (2022)
  • Author(s): K.Kawasaki, H.Yamada, Y.Mokuno, A.Chayahara, T.Shimaoka, Y.Sato, M.Tsukamoto, T.Somekawa, H. Nagatomo, K. Mima, Y.Hironaka, K.Yamanoi, D.Tanaka, T.Idesaka, and K.Shigemori
  • Organizer: 15th International Conference on NDNC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dependence of Hot Electron Generation on Hydrogen Concentration of Target Materials for Shock Ignition Scheme of Direct-Drive Inertial Confinement Fusion (2022)
  • Author(s): K. Kawasaki, S. Matsuo, T. Idesaka, Y. Hironaka, D. Tanaka, H. Nagatomo, M. Hata, R. Takizawa, S. Fujioka, A. Yogo, Y. Sentoku, Y. Arikawa, N. Ozaki, R. Kodama, K. Katagiri, K. Mima, T. Mori, T. Jozaki, H. Yamada, D. Batani, G. Cristoforetti, and K. Shigemori
  • Organizer: 64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 衝撃波点火条件下における高速電子生成のターゲット材水素含有率依存性 (2022)
  • Author(s): 川﨑昂輝，弘中陽一郎，田中大裕，井手坂朋幸，瀧澤龍之介，藤岡慎介，余語覚文，長友英夫，千徳靖彦，有川安信，尾崎典雅，兒玉了祐，片桐健登，三間圀興，城崎知至，森芳孝，山田英明，G. Cristoforetti，D. Batani，重森啓介
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 衝撃波点火レーザー核融合に向けたターゲット材の水素含有率による高速電子発生の制御 (2022)
  • Author(s): 川﨑昂輝，弘中陽一郎，田中大裕，井手坂朋幸，瀧澤龍之介，藤岡慎介，余語覚文，長友英夫，千徳靖彦，有川安信，尾崎典雅，兒玉了祐，片桐健登，三間圀興，城崎知至，森芳孝，山田英明，G. Cristoforetti，D. Batani，重森啓介
  • Organizer: 2022年物理学会秋季大会
• [Presentation] 直接照射型レーザー核融合のためのダイヤモンドカプセルの開発 (2022)
  • Author(s): 川﨑昂輝，山田英明，杢野由明，茶谷原昭義，嶋岡毅紘，大曲新矢，佐藤雄二，塚本雅裕，染川智弘，長友英夫，弘中陽一郎，山ノ井航平，田中大裕，井手坂朋之，重森啓介
  • Organizer: Cat-CVD 研究会 第19回
  • Invited