Study of high-speed solid pellet injection by two-stage gas acceleration using innovative piston

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K18307
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 本島 厳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 固体水素ペレット / アイスピストン / ２段加速

Outline of Annual Research Achievements

本年度では、高速射出弁、低温冷凍装置をチャンバに組み込み、圧縮試験を行った。
その結果、アイスピストンを使って、200 kPaのガスを30 MPa以上まで圧縮することができた。
本研究では、核融合燃料供給法の一つである固体水素氷粒ペレット入射法において、「アイスピストン」を用いたこれまでにない2段ガス加速方式を提案し、開発を行うものである。昨年度まででアイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作したので、本年度は高速射出弁と既設の低温冷凍装置をチャンバに組み込み、アイスピストンの生成とその射出による圧縮性を調べた。圧縮させるガスとして三重点が比較的高い窒素を用いた。
低温冷凍装置のスイッチを入れてから２時間程度で、ヒートシンクが常温から20 K程度まで冷却された。窒素ガスを200 kPa充填し、窒素が固化するまで数時間その状態を保持した。その後、1.5-2 MPaのヘリウムを加速ガスとして用いて、高速射出弁によりアイスピストンの射出を行い、圧力上昇を圧力計により測定した。その結果、200 kPaに充填されていた窒素ガスが瞬間値として30 MPa程度まで上昇した。30 MPaに上昇するまでに要した時間は5msec程度であった。本研究結果は、本研究課題であったアイスピストンにより高圧縮化が可能になったことを示している。
アイスピストンの材料として、今回は三重点の比較的高い窒素を用いたこともあり、窒素が固化しきれていない可能性があるほか、想定よりヒートシンクの温度が高くなっていたこともあり、アイスピストンの強度が低かった可能性がある。三重点の低い水素をアイスピストンとして用いるほか、ヒートシンクの温度を想定よりも上昇させている原因を究明してさらに冷却温度を下げれば、さらなる圧縮化が可能であると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] High-density experiments with hydrogen ice pellet injection and analysis of pellet penetration depth in Heliotron J (2019)
  • Author(s): Gen Motojima, Hiroyuki Okada, Hisashi Okazaki, S Kobayashi, Kazunobu Nagasaki, Ryuichi Sakamoto, Hiroshi Yamada, Shinichiro Kado, Shinsuke Ohshima, T Minami, Naoki Kenmochi, Yoshiaki Ohtani, Yuuki Nozaki, Yuma Yonemura, Yuji Nakamura, Shigeru Konoshima, Satoshi Yamamoto, Tohru Mizuuchi and Kiyomasa Watanabe
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab1d40
  • Peer Reviewed
• [Presentation] High-density experiments with pellet injection and analysis of pellet penetration depth in Heliotron J (2019)
  • Author(s): G. Motojima, H. Okada, H. Okazaki, S. Kobayashi, K. Nagasaki, N. Panadero, R. Sakamoto, H. Yamada, S. Kado, S. Ohshima, T. Minami, N. Kenmochi, Y. Ohtani, Y. Nakamura, S. Konoshima, S. Yamamoto, T. Mizuuchi and K.Y. Watanabe
  • Organizer: 19th Coordinated Working Group Meeting
• [Presentation] Pellet injection to high density plasmas on Heliotron J (2018)
  • Author(s): G. Motojima, H. Okada, H. Okazaki, S. Kobayashi, N. Kenmochi, S. Ohshima, S. Kado, R. Sakamoto, K. Nagasaki, H. Yamada, T. Minami, Y. Nakamura, S. Konoshima, S. Yamamoto and T. Mizuuchi
  • Organizer: 18th Coordinated Working Group Meeting