Understanding of solid hydrogen ablation and plasmoid homogenization process for fueling to fusion plasma

• Project/Area Number: 23K20230
• Project/Area Number (Other): 20H01888 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 坂本 隆一 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (10290917)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 固体水素溶発 / プラズモイド / 核融合プラズマ / 粒子供給モデル / 高速分光計測 / 粒子供給 / 固体水素 / 溶発 / 水素スペクトル / 高速分光 / バルマー系列

Outline of Research at the Start

核融合炉における燃焼プラズマでは，核融合反応によって水素同位体がヘリウムに変換され，ヘリウムによる水素同位体の希釈が核融合反応率低下を引き起こす．水素同位体の供給によって燃料希釈を抑制することが重要な制御手段となる．
本研究では，高温プラズマ中において固体水素が溶発してプラズマ中に均質化してゆく過程を，イメージング分光計測と高時間分解能スペクトル計測を組み合わせた計測手法で調べることによって，プラズマへの水素同位体の供給素過程を明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

高温プラズマ中における固体水素の溶発過程と，溶発した水素がプラズマ中に均質化してゆく過程を，高空間分解能イメージング分光計測と高時間分解能スペクトル計測を組み合わせた新しい計測手法で調べ，プラズマへの粒子供給素過程を明らかにすることが，本研究の目的である．
2023年度に予定していたW7-X（ドイツ・マックスプランクプラズマ物理研究所）の実験キャンペーンの開始が延期され，2023年度には実験が実施されないことになったため，W7-Xにおける実験の実施が不可能になり，昨年度に引き続いて実験計画変更が必要となった．2024年3月下旬から中性子が発生しない水素プラズマ実験に移行した学術研究基盤LHDにおいて実験を行うこととし，「高空間分解能イメージング分光計測器」において使用する高速カメラの改修を行うとともに，「高空間分解能イメージング分光計測器」をLHDに導入し，データ収集系の整備を行った．このことにより，学術研究基盤LHDにおいて，「高空間分解能イメージング分光計測器」と「高時間分解能スペクトル計測器」の同時計測が可能となった．
「高空間分解能イメージング分光計測器」と「高時間分解能スペクトル計測器」，これらの二つの分光計測器から得られるデータ統合して，ペレット溶発雲の温度・密度分布を推定することを目的とし，ペレットの溶発雲のパラメータを仮定した合成計測を行うプログラムを，CEA/IRFMの研究協力者とともに開発し，任意の温度・密度分布を持つペレット溶発雲から可視スペクトルを推定することを可能とした．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ドイツ・マックスプランクプラズマ物理研究所のW7-Xにおける装置不具合による実験キャンペーン開始の延期に伴い，実験計画の再検討を行った．計画変更に伴って研究計画に遅延が生じているが，2024年3月以降，学術研究基盤LHDでの実験が可能となったため，実験の準備を実施した．

Strategy for Future Research Activity

3年間の運用が決まった学術研究基盤LHDに導入した「高空間分解能イメージング分光計測器」と「高時間分解能スペクトル計測器」を用いてデータ収集を行うとともに，これらの二つの分光計測器から得られるデータと，ペレットの溶発雲のパラメータを仮定した合成計測から得られる合成計測のスペクトルの比較から溶発発光分布を推定する方法を確立する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] CEA(フランス)
• [Int'l Joint Research] CEA(フランス)
• [Int'l Joint Research] ORNL/PPPL(米国)
• [Int'l Joint Research] CEA(フランス)
• [Int'l Joint Research] ORNL/PPPL(米国)
• [Journal Article] Structure of pellet cloud emission and relation with the local ablation rate (2024)
  • Author(s): B. Pegourie, E. Geulin, M. Goto, A. Matsuyama, G. Motojima, R. Sakamoto
  • Journal Title: NUCLEAR FUSION Volume: 64 Issue: 5 Pages: 056026-056026
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad326c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体水素溶発観測のための高速可視分光器 (2021)
  • Author(s): 坂本隆一
  • Organizer: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会