Analysis and optimization of plasma and magnetic field behavior in a magnetic nozzle for laser fusion propulsion

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K18283
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: レーザー核融合推進 / レーザートムソン散乱計測 / 磁気ノズル / 輻射磁気流体シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、レーザー核融合磁気推進で有力な推進システムと考えられる磁気ノズルの動作を検証することである。これまでの実験から磁気ノズルによる推力発生を確認したが、磁場の時間変化、最適な磁場構造や強度、プラズマの状態等は計測できておらず、数値計算とも大きな差異があった。
そこで高出力レーザー生成プラズマと電磁石による強磁場を相互作用させ、磁場とプラズマの挙動を時間分解して可視化しプラズマの温度・密度等パラメータを計測するシステムを構築した。希薄で比較的低温なプラズマの温度・密度・速度を精度よく計測するため、高波長分解能である分光器を作成し、磁気ノズル内のプラズマ計測に成功した。
また、実験を再現する数値計算コードを開発するため、プラズマアブレーション過程を計算する輻射流体シミュレーション、およびその後の磁気ノズル内でのプラズマ挙動を計算するハイブリッド計算を改良し、実験で得られるイオン密度分布の再現を試みた。完全に定量的な一致までは至っていないが、以前より2桁以上の改善が見られた。プラズマアブレーションを計算する際に磁場を導入することで、さらなる再現性の向上を試みた。新たに導入した輻射磁気流体計算による初期プラズマ生成過程を確認した。今後さらに長時間の計算を行うことで、推力発生の確認と実験との定量的比較を目指す。
本研究では、さらに推力方向を制御する新たな試みとして、複数コイルを組み合わせた磁気ノズルを作成し、プラズマ排出方向の制御実験を行った。駆動コイル数と電流を制御することで、プラズマの排出方向を変化させることを実験的に明らかにした。さらに同システムの数値計算を行い、実験で得られたプラズマ構造の再現に成功した。本結果は現在論文投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] Plasma structure and energy dependence in a magnetic thrust chamber system (2016)
  • Author(s): T Morita, N Yamamoto, R Kawashima, N Saito, M Edamoto, S Fujioka, Y Itadani, T Johzaki, S Miura, Y Mori, H Nishimura, A Sunahara, A Yogo, H Nakashima
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 717 Pages: 012071-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012071
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The measurement of plasma structure in a magnetic thrust chamber (2016)
  • Author(s): Ryosuke KAWASHIMA, Taichi MORITA, Naoji YAMAMOTO, Naoya SAITO, Shinsuke FUJIOKA, Hiroaki NISHIMURA, Hiraku MATSUKUMA, Atsushi SUNAHARA, Yoshitaka MORI, Tomoyuki JOHZAKI and Hideki NAKASHIMA
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 11 Pages: 3406012-1-4
  • DOI: 10.1585/pfr.11.3406012
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] レーザー核融合推進にむけたモデル実験におけるレーザー生成プラズマの制御とプラズマ計測 (2017)
  • Author(s): 森田太智, 山本直嗣, 齋藤直哉, 枝本雅史, 三浦智之, 板谷佑太朗, 砂原淳, 長友英夫, 藤岡慎介, 城崎知至, 森芳孝, 余語覚文, 西村博明, 中島秀紀
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-18
• [Presentation] 磁気スラストチャンバーによるプラズマ排出制御の実験的検証 (2016)
  • Author(s): 森田太智, 山本直嗣, 齋藤直哉, 枝本雅史, 三浦智之, 板谷佑太朗, 児島富彦, 砂原淳, 藤岡慎介, 長友英夫, 城崎知至, 森芳孝, 余語覚文, 西村博明, 中島秀紀
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14