窒素-水素複合ガス入射による非接触プラズマ形成過程の解明

• Project/Area Number: 23K22469
• Project/Area Number (Other): 22H01198 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 江角 直道 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20321432)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
• Keywords: ダイバータ / 非接触プラズマ / 分子活性化再結合 / プラズマ－ガス相互作用 / 原子分子過程 / プラズマ / 核融合 / 原子分子反応過程 / 水素 / 窒素 / 高速度カメラ

Outline of Research at the Start

磁場閉じ込め核融合炉の実現において、プラズマとガスとの相互作用によりダイバータ領域に形成される非接触プラズマ挙動の理解とその制御方法の確立は重要な課題である。本研究では窒素-水素複合ガス入射による非接触プラズマの形成過程を明らかにするため、a) 窒素-水素複合ガス入射による非接触プラズマの時空間構造の精密観測、b)分子性ガスの介在するプラズマ再結合反応過程の理解、c)分子の振動・回転状態が非接触プラズマに与える影響の検証を行う。本研究の遂行により、窒素-水素ガス入射時の非接触プラズマ形成に関わる原子分子反応過程の詳細を明らかにし、ITER/原型炉への外挿性の高い物理モデルの構築にも寄与する。

Outline of Annual Research Achievements

プラズマとガスとの相互作用によりダイバータ領域に形成される非接触プラズマの挙動の理解とその制御方法の確立は、磁場閉じ込め核融合炉の実現に不可欠なダイバータ板への熱粒子負荷低減、炉心プラズマとの整合性の観点において解決すべき重要な課題である。本研究では水素ガスおよび窒素ガスとプラズマの相互作用に焦点をあて、物理化学的な原子分子反応過程を詳細に調べ、それらが非接触プラズマ形成とその時空間構造に与える影響を明らかにすることを目的としている。令和5年度は、令和4年度に引き続き、GAMMA10/PDXダイバータ模擬モジュールにおいて、４分岐光学系アルバプリズムを組み込んだ高速度カメラを用いて、水素および窒素分子の関与する分子活性化再結合過程で重要なスペクトルである水素バルマーHα線とHβ線、窒素分子第１正帯, 窒素原子の波長の時空間分布の観測を行うとともに、水素イオンと電子の三体・放射再結合過程の寄与も確認するため、水素バルマーHγ線の時空間分布の観測も行った。窒素ガス入射位置によらず、上流側で窒素原子、下流側で窒素分子の割合が高い傾向にあるが、上流側から入射した場合の方が、上流側の窒素原子の割合がより高くなり、その発光分布はプラズマ軸上では弱く、その周辺で強くなる分布を示し、窒素分子活性化再結合の反応過程に強い空間分布があることを示唆する結果を得た。イオン温度計測に用いられる静電プローブであるイオンセンシティブプローブの詳細な解析から、窒素分子活性化再結合過程において生成されるイオン種を推定し、ガス入射後のガス圧力変化に伴い、異なる反応生成物が発生している可能性を明らかにした。また、水素ガス圧力を通常の実験の倍程度の5Pa程度まで上昇させた実験では、水素分子活性化再結合からの発光とは異なり、高励起準位からの発光が強くなる現象が観測された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度（令和4年度）に導入した4波長の空間分布を同時に計測可能な光学系（４分岐光学系）を組み込んだ高速度カメラを用いて、水素-窒素ガス重畳入射による非接触プラズマの時空間構造変化を高時空間分解能観測結果、及び、多点同時分光計測、イオンセンシティブプローブ計測結果の詳細な解析と粒子バランスに基づく考察から、窒素分子の介在するプラズマ-ガス反応過程のモデル化において非常に重要となる反応生成物に関して、NH系イオン発生タイミングやガス圧力の関係を明らかにした。また、分光計測から反応過程の理解に資する、水素・窒素分子の振動・回転温度の評価を行うとともに、ガス入射方法の違いによる非接触プラズマの時空間分布の変化を観測し、ターゲット構造やガス入射位置の影響について系統的な実験を行った。二分岐光学系を備えた光電子増倍管による水素バルマー線及び水素分子ファルカー帯の発光を高速サンプリングし、再結合過程に関連する揺動現象の観測も開始した。これら実験結果と相補的に比較しながら窒素-水素混合状態における非接触プラズマ形成過程の理解を進めるために、３次元流体+中性粒子コードEMC3-EIRENEによる本実験配位の再現にも取り組み、初期的な結果を得た。これらの成果は査読付き論文、国内外の会合にて発表した。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度に引き続き、GAMMA10/PDXダイバータ模擬モジュールにおいて、4分岐光学系を組み込んだ高速度カメラを用いて、水素-窒素ガス重畳入射による非接触プラズマの時空間構造変化を高時空間分解能で観測し、窒素、水素ガス入射時のV字ターゲット板角度、ガス導入位置やガス入射タイミングの影響の調査を行う。同時に、反応生成物や分子性ガスからの発光を光電子増倍管を用いて高速かつ高感度に観測することで、 原子分子反応過程のより詳細な理解を進める。その際、非接触プラズマ形成におけるターゲット板からの反射やリサイクリング粒子の影響を明らかにするため、ダイバータ模擬モジュール内のV字ターゲットの開口角度を調整しながら窒素ガス入射とリサイクリング水素との反応過程を詳細に調査し、ターゲット近傍のリサイクリング水素に対する窒素ガス入射による重畳効果の検証を行う。また、ダイバータ模擬領域へ流入するプラズマのパラメータ（特にイオン温度、電子温度）に対する非接触プラズマ生成への影響についても系統的に調べる。昨年度から準備を開始したEMC3-EIRENEコードによるGAMMA10/PDXダイバータ模擬プラズマのシミュレーションについて、実験と同等のパラメータでの計算ができるよう設定条件の最適化を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Journal Article] Effect of Impurity Ions on Ion Current Flowing into an Ion Sensitive Probe during N₂and H₂Seeding in Hydrogen Plasma (2023)
  • Author(s): OKAMOTO Takuma、EZUMI Naomichi、TOGO Satoshi、PERILLO Renato、SHIGEMATSU Naoki、SETO Takumi、TAKANASHI Kosuke、TAKAHASHI Satoshi、MIYAUCHI Reina、SAKAMOTO Mizuki
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 18 Issue: 0 Pages: 1402047-1402047
  • DOI: 10.1585/pfr.18.1402047
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2023-06-14
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of Radiated Power Using an InfraRed Imaging Video Bolometer System in the Upstream of GAMMA 10/PDX Divertor Simulation Plasma (2023)
  • Author(s): Naoki SHIGEMATSU, Naomichi EZUMI, Kiyofumi Mukai, Takumi SETO, Takuma OKAMOTO, Kosuke TAKANASHI, Satoshi TAKAHASHI, Reina MIYAUCHI, Satoshi TOGO, Mafumi HIRATA, Junko KOHAGURA, Masayuki YOSHIKAWA, Ryutaro MINAMI, Yousuke NAKASHIMA and Mizuki SAKAMOTO
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 18 Issue: 0 Pages: 2402031-2402031
  • DOI: 10.1585/pfr.18.2402031
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2023-05-12
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Influence of Variable Angle V-shaped Target Configuration on Plasma Detachment in the Tandem Mirror Device GAMMA 10/PDX (2023)
  • Author(s): N. Ezumi, S. Takahashi, T. Okamoto, K. Takanashi, K. Kouno, H. Kawahara, T. Seto, R. Miyauchi, S. Togo, J. Kohagura, M. Yoshikawa, M. Sakamoto
  • Organizer: 2nd International Fusion and Plasma Conference & 13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (iFPC & OS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of N2 seeding Timing on Reaction Process during N2 and H2 Seeding in GAMMA 10/PDX Divertor Simulated Plasma (2023)
  • Author(s): Takuma OKAMOTO, Naomichi EZUMI, Satoshi TAKAHASHI, Satoshi TOGO, Keishi KONO, Hiroto KAWAHARA, Takumi SETO, Reina MIYAUCHI and Mizuki SAKAMOTO
  • Organizer: 2nd International Fusion and Plasma Conference & 13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (iFPC & OS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Spatiotemporal Emissions Using a High-speed Camera During Impurity Gas Injections from Different Positions in GAMMA 10/PDX Divertor Simulated Plasma (2023)
  • Author(s): S. Takahashi, N. Ezumi, T. Okamoto, T. Seto, K. Takanashi, R. Miyauchi, K. Kouno, H. Kawahara, S. Togo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, Y. Nakashima, M. Sakamoto
  • Organizer: 2nd International Fusion and Plasma Conference & 13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (iFPC & OS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of Reaction Process during Combined Seeding of Nitrogen and Hydrogen in Divertor Simulated Plasma (2023)
  • Author(s): OKAMOTO Takuma, EZUMI Naomichi, TAKAHASHI Satoshi, TOGO Satoshi, TAKANASHI Kosuke KONO Keishi, KAWAHARA Hiroto, SETO Takumi, MIYAUCHI Reina and SAKAMOTO Mizuki
  • Organizer: Global Plasma Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time Evolution of 2D Emission Profiles of Detached Plasma during Hydrogen and Impurities Combined Gas Seeding in GAMMA10/PDX (2023)
  • Author(s): N. EZUMI, H. GAMO, S. TAKAHASHI, T. OKAMOTO, K. TAKANASHI, N. SHIGEMATSU, T. SETO, R. MIYAUCHI, S. TOGO, J. KOHAGURA, M. YOSHIKAWA, M. SAKAMOTO, R. PERILLO
  • Organizer: IAEA-FEC 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observing Plasma Detachment in GAMMA 10/PDX using a High-Speed Camera with Four-Branch Imaging Optics (2023)
  • Author(s): Naomichi Ezumi, S. Takahashi, T. Okamoto, K. Takanashi, K. Kouno, H. Kawahara, T. Seto, R. Miyauchi, S. Togo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, M. Sakamoto
  • Organizer: 8th International Workshop on Plasma Material Interaction Facilities for Fusion Research (PMIF2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GAMMA 10/PDXにおけるダイバータ形状が 非接触プラズマ形成に与える影響に関する研究 (2023)
  • Author(s): 江角直道，髙橋理志，岡本拓馬，髙梨宏介，河野恵士， 河原大翔，瀬戸拓実，宮内礼那，市川 遙，木梨裕太， 仙北裕己，姫野凌河，舛矢智温，東郷 訓，平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔，坂本瑞樹，杉山吏作 ，増崎 貴
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDXダイバータ模擬実験における水素ガス入射時の 水素分子振動回転温度の多点計測 (2023)
  • Author(s): 河野恵士, 江角直道, 岡本拓馬, 髙橋理志, 髙梨宏介, 河原大翔, 瀬戸拓実, 宮内礼那, 市川遙, 木梨裕太, 仙北裕己, 姫野凌河, 舛矢智温, 東郷訓, 平田真史, 小波蔵純子, 吉川正志, 中嶋洋輔, 坂本瑞樹
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDX ダイバータ模擬プラズマの非接触化過程における発光時空間分布への不純物ガス入射位置の影響 (2023)
  • Author(s): 髙橋理志, 江角直道, 岡本拓馬, 髙梨宏介, 河野恵士, 河原大翔, 瀬戸拓実, 宮内礼那, 東郷訓, 平田真史, 小波蔵純子, 吉川正志, 中嶋洋輔, 坂本瑞樹
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDXにおける窒素+水素重畳入射時の反応生成物の時間発展解析 (2023)
  • Author(s): 岡本拓馬、江角直道、東郷訓、瀬戸拓実、髙梨宏介、髙橋理志、宮内礼那、河原大翔、河野恵士、坂本瑞樹
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] TIME EVOLUTION OF 2D EMISSION PROFILES OF DETACHED PLASMA DURING HYDROGEN AND IMPURITIES COMBINED GAS SEEDING IN GAMMA10/PDX (2023)
  • Author(s): N. EZUMI, H. GAMO, S. TAKAHASHI, T. OKAMOTO, K. TAKANASHI, N. SHIGEMATSU, T. SETO, R. MIYAUCHI, S. TOGO, J. KOHAGURA, M. YOSHIKAWA, M. SAKAMOTO, R. PERILLO
  • Organizer: 29th IAEA Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatiotemporal observation of N-MAR in GAMMA 10/PDX (2022)
  • Author(s): N. Ezumi, H. Gamo, S. Takahashi, T. Sugiyama, T. Okamoto, N. Shigematsu, K. Takanashi, A. Kondo, T. Seto, S. Togo, M. Hirata, D. Hwangbo, J. Kohagura, M. Yoshikawa, Y. Nakashima, M. Sakamoto, R. Perillo, N. Ohno, K. Sawada, S. Masuzaki
  • Organizer: 25th International Conference on Plasma Surface Interaction in Fusion Devices (PSI-25)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparison of Spatio-temporal Distribution of Emissions Related to N MAR Based on High Speed Camera Observation in GAMMA 10/PDX Divertor Simulated Plasmas (2022)
  • Author(s): S. Takahashi, N. Ezumi, T. Tamura, T. Okamoto, N. Shigematsu, T. Seto, K. Takanashi, R. Miyauchi, S. Togo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, Y. Nakashima, M. Sakamoto
  • Organizer: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of N-MAR on Ion Flux Reduction during N2 and H2 Seeding in Hydrogen plasma (2022)
  • Author(s): Okamoto Takuma, EZUMI Naomichi, TOGO Satoshi, SHIGEMATSU Naoki, SETO Takumi, TAKANASHI Kosuke, TAKAHASHI Satoshi, MIYAUCHI Reina, SAKAMOTO Mizuki
  • Organizer: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of infrared imaging video bolometer system for radiation power measurement in the upstream of GAMMA 10/PDX divertor simulation plasma (2022)
  • Author(s): N. Shigematsu, N. Ezumi, K. Mukai, T. Seto, T. Okamoto, K. Takanashi, S. Takahashi, R. Miyauchi, S. Togo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, R. Minami, Y. Nakashima, M. Sakamoto
  • Organizer: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高速度カメラを用いた不純物ガス入射時の GAMMA 10/PDX ダイバータ模擬プラズマの 4波長同時観測 (2022)
  • Author(s): 高橋理志、江角直道、 東郷訓、杉山吏作、蒲生宙樹、 重松直希、瀬戸拓実、岡本拓馬、高梨宏介
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] GAMMA 10/PDXにおけるイオンセンシティブプローブを用いた不純物ガス導入時のイオン温度計測 (2022)
  • Author(s): 岡本拓馬、江角直道、東郷訓、蒲生宙樹、杉山吏作、重松直希、瀬戸拓実、高梨宏介、 高橋理志
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] GAMMA 10/PDX ダイバータ模擬プラズマ上流部におけるイメージングボロメータを用いた不純物ガス入射時の輻射強度計測 (2022)
  • Author(s): 重松直希、向井清史、江角直道、杉山吏作、蒲生宙樹、瀬戸拓実、岡本拓馬、高梨宏介、 高橋理志、東郷訓、平田真史、小波蔵純子、吉川正志、南龍太郎、中嶋洋輔、坂本瑞樹
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演
• [Presentation] 高速度カメラを用いたHα Hβ線強度の時空間変化の同時観測に基づくGAMMA 10/PDX ダイバータ模擬プラズマの不純物ガス入射の影響の比較 (2022)
  • Author(s): 高橋理志 、江角直道 、田村香瑛 、岡本拓馬 、重松直希 、瀬戸拓実 、 高梨宏介 、 宮内礼那 、東郷訓 、平田真史 、小波蔵純子 、吉川正志 、中嶋洋輔 、坂本瑞樹
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDXにおける窒素ガス入射位置によるイオン粒子束およびNHラジカル発光分布の比較 (2022)
  • Author(s): 岡本拓馬 、江角直道 、東郷訓 、重松直希 、瀬戸拓実 、 高梨宏介 、高橋理志 、宮内礼那 、河原大翔 、河野恵士 、田村香瑛 、 高橋 征大 、坂本瑞樹
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDX ダイバータ模擬実験モジュールにおけるマイクロ波干渉計を用いた水素ガスと窒素及びネオンガスの重畳入射時の電子密度変化計測 (2022)
  • Author(s): 田村香瑛、江角直道、小波蔵純子、高橋理志、重松直希、高梨宏介、宮内礼那、河野恵士、河原大翔、高橋征大、東郷訓、吉川正志、坂本瑞樹
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] GAMMA 10/PDX ダイバータ模擬プラズマ上流部におけるイメージングボロメータを用いたArおよびNeガス入射時の輻射強度計測 (2022)
  • Author(s): 重松直希、向井清史、江角直道、瀬戸拓実、岡本拓馬、 高梨宏介、 高橋理志、宮内礼那、河原大翔、河野恵士、田村香瑛、高橋征大、東郷訓、平田真史、小波蔵純子、吉川正志、南龍太郎、中嶋洋輔、坂本瑞樹
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Remarks] 筑波大学プラズマ研究センターHP
  • URL: https://www.prc.tsukuba.ac.jp
• [Remarks] プラズマ研究センターHP
  • URL: https://www.prc.tsukuba.ac.jp