Proof-of-principle of Magnetized Fast Ignition

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02245
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 藤岡 慎介 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 教授 (40372635)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 副主任研究員 (00370213) ; 長友 英夫 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (10283813) ; Morace Alessio 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 特任助教(常勤) (70724326) ; 佐野 孝好 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 助教 (80362606) ; 有川 安信 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 講師 (90624255) ; 城崎 知至 広島大学, 工学研究院, 准教授 (10397680) ; 山ノ井 航平 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 助教 (30722813)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: レーザー核融合 / 高エネルギー密度プラズマ / 強磁場 / 高速点火 / 高出力レーザー / 高強度レーザー / Magnetized Fast Ignition / 中実球

Outline of Annual Research Achievements

トレーサーとして銅を10 w%含む直径200 micronの中実球を，TW出力を有するナノ秒パルスの激光XII号レーザーで圧縮し，中実球が最大圧縮されるタイミングの前後で，PW出力を有するピコ秒パルスのLFEXレーザーを照射し，圧縮された中実球（プラズマ）を加熱した．中実球の中心から250 micron離れた位置に直径が500 micronのコイル置き，コイルをレーザー駆動キャパシターと繋いで，キロテスラの磁場を発生させた．キロテスラ磁場を印加した場合と印加しなかった場合で，トレーサーである銅原子から放射されるX線のスペクトルが大きく変化した．磁場を印加した場合にのみ，プラズマが約2000万度にまで加熱されている結果が得られた．加熱温度のLFEXレーザー入射タイミング依存性を測定し，中実球が最も圧縮される直前のタイミングに，LFEXレーザーを入射した場合で，最も温度が上昇することが確認された．
2次元の放射流体シミュレーションコードと，電子輸送コードを組み合わせたシミュレーションを行い，この実験結果を解析した．中実球内部を求心衝撃波が伝播しているタイミングで，LFEXレーザーを入射すると，衝撃波の上流側が加熱され，衝撃波の圧力が上昇する．その結果，求心衝撃波の強度が強くなり，中実球の中心部で衝撃波が衝突した時点で，非常に高温なプラズマが形成されることが観測された．これは，従来の高速点火レーザー核融合と衝撃点火のハイブリッドのような手法であり，従来の高速点火方式よりも効率的にイオン温度が上昇させることが出来るというメリットがある．今年度の研究によって，キロテスラ級の外部磁場と高速点火を組み合わせたMagnetized Fast Ignition法によって，高密度プラズマを効率的に数千万度にまで加熱出来ることを実証出来た．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

強磁場とレーザー核融合高速点火を組み合わせることで，効率的なプラズマ加熱を実証することが本課題の最終目標である．レーザー駆動キャパシターコイルターゲットで生成した強磁場を印加した状況下で圧縮した高密度プラズマに，短パルス高強度レーザーを照射することで，高温度にプラズマを加熱出来ることを実証出来ており，初年度で，本手法の有用性を実験的に明らかにすることが出来た．また，二次元の放射流体シミュレーションコードと高速電子の輸送伝播シミュレーションコードを用いて，実験結果の再現を試みた．高密度プラズマ中を伝播する求心衝撃波が，磁力線を圧縮し，圧縮された磁力線に沿って流れた高速電子が，衝撃波の上流を選択的に加熱し，その結果として求心衝撃波の圧力が上昇する．圧力が上昇した求心衝撃波が，高密度プラズマの中心で衝突する時に，高密度・高温プラズマが形成されることが，シミュレーションで確認された．
初年度で，Magnetized Fast Ignitionの有効性を実験的に実証すると共に，シミュレーションを用いて，実験結果を説明する加熱機構を明らかに出来るなど，初年度で重要な部分を実証し，当初の計画以上の進展が得られていると断言出来る．上記の成果は現在論文化に向けて，更に詳細な解析を行い，実験とシミュレーションの定量的な比較を進めている．

Strategy for Future Research Activity

Magnetized Fast Ignitionを用いた核融合点火のデザインに向けた研究を進める．加熱レーザーのエネルギーと加熱温度の依存性を明らかにし，点火閾温度である5000万度を達成するために必要なエネルギーを明確にする．高エネルギー密度プラズマの圧縮も強磁場の影響を受けることが知られている．レーザー生成強磁場下での高エネルギー密度プラズマの流体運動を観測し，流体運動に外部磁場が与える影響，流体不安定性への影響について実験を行い，シミュレーションとの比較を行う．外部磁場が核融合燃料に拡散する様子を観測することも重要である．レーザー駆動キャパシター・コイル・ターゲットで生成されるような，パルス強磁場を物質に印加すると，物質中に誘導電流が流れ，誘導電流によるオーム加熱によって物質が急激に加熱され，電離する結果，物質の電気伝導度が急激に変化する．磁場の核融合プラズマへの拡散と，拡散に伴うプラズマの加熱及び特性変化を統合的に理解することで，本手法を点火デザインに適用するための指針を得る．
強磁場下でのプラズマと高強度レーザーの相互作用も重要な研究テーマである．現在，キャパシター・コイルターゲットで達成可能な1キロテスラ程度の磁場では，電子のサイクロトロン周波数はレーザーの周波数よりも一桁近く小さいため，磁場がレーザープラズマ相互作用に直接影響する効果は小さい．しかし，プラズマの流れに伴う磁場の圧縮や，レーザープラズマ相互作用の結果として発生する電子の磁場による捕捉が，レーザープラズマ相互作用にフィードバックをかける可能性があるため，実験及びシミュレーションを使って解析を進める．更に，将来，10キロテスラを超える磁場が発生する可能性があることを視野に，レーザーからホイスラー波への変換を利用したプラズマ加熱についても理論・シミュレーションによる解析を進める．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Nevada/University of California San Diego/Lawrence Livermore National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Nevada/University of California San Diego/Lawrence Livermore National Laboratory
  • # of Other Institutions: 1
• [Int'l Joint Research] University of Bordeaux/Ecole Polytechnique(France)
  • Country Name: France
  • Counterpart Institution: University of Bordeaux/Ecole Polytechnique
• [Int'l Joint Research] Institute of Physics(China)
  • Country Name: China
  • Counterpart Institution: Institute of Physics
• [Journal Article] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • Author(s): T Johzaki, H Nagatomo, A Sunahara, Y Sentoku, H Sakagami, M Hata, T Taguchi, K Mima, Y Kai, D Ajimi, T Isoda, T Endo, A Yogo, Y Arikawa, S Fujioka, H Shiraga, H Azechi
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 59 Pages: 014045
  • DOI: doi:10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ultrafast probing of magnetic field growth inside a laser-driven solenoid (2017)
  • Author(s): C. Goyon, B. B. Pollock, D. P. Turnbull, A. Hazi, L. Divol, W. A. Farmer, D. Haberberger, J. Javedani, A. J. Johnson, A. Kemp, M. C. Levy, B. Grant Logan, D. A. Mariscal, O. L. Landen, S. Patankar, J. S. Ross, A. M. Rubenchik, G. F. Swadling, G. J. Williams, S. Fujioka, K. F. F. Law, and J. D. Moody
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 95 Pages: 033208
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.95.033208
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses (2017)
  • Author(s): A Yogo, K Mima, N Iwata, S Tosaki, A Morace, Y Arikawa, S Fujioka, T Johzaki, Y Sentoku, H Nishimura, A Sagisaka, K Matsuo, N Kamitsukasa, S Kojima, H Nagatomo, M Nakai, H Shiraga, M Murakami, S Tokita, J Kawanaka, N Miyanaga, K Yamanoi, T Norimatsu, H Sakagami, SV Bulanov, K Kondo, H Azechi
  • Journal Title: Scientific Report Volume: 7 Pages: 42451
  • DOI: 10.1038/srep42451
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrahigh-contrast kilojoule-class petawatt LFEX laser using a plasma mirror (2016)
  • Author(s): Yasunobu Arikawa, et al.,
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 55 Pages: 6850 - 6857
  • DOI: 10.1364/AO.55.006850
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flash Kα radiography of laser-driven solid sphere compression for fast ignition (2016)
  • Author(s): H Sawada, S Lee, T Shiroto, H Nagatomo, Y Arikawa, H Nishimura, T Ueda, K Shigemori, A Sunahara, N Ohnishi, FN Beg, W Theobald, F Perez, PK Patel, S Fujioka
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Pages: 254101
  • DOI: 10.1063/1.4954383
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field (2016)
  • Author(s): Shinsuke Fujioka, Yasunobu Arikawa, et al.,
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 056308
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高強度レーザーとキロテスラ磁場を用いた超臨界・遮断密度プラズマの加熱 (2017)
  • Author(s): 藤岡慎介
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪，日本
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
  • Invited
• [Presentation] First experimental demonstration of magnetic-field assisted fast heating of a dense plasma core (2016)
  • Author(s): Fujioka et al.,
  • Organizer: 58th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physical Society
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated Study of Magnetized Fast Ignition (MFI) (2016)
  • Author(s): Fujioka et al.,
  • Organizer: European Conference on Laser Interaction with Matters
  • Place of Presentation: Moscow, Russia
  • Year and Date: 2016-09-18 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2016)
  • Author(s): T Johzaki, H Nagatomo, A Sunahara, Y Sentoku, H Sakagami, M Hata, T Taguchi, K Mima, Y Kai, D Ajimi, T Isoda, T Endo, A Yogo, Y Arikawa, S Fujioka, H Shiraga, H Azechi
  • Organizer: 43rd EPS Conference on Plasma Physics
  • Place of Presentation: Leuven, Belgium
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FIREX Project Team, Progress of FIREX Project in Japan (2016)
  • Author(s): Fujioka et al.,
  • Organizer: OPIC/CLES2017
  • Place of Presentation: 横浜，日本
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 核融合グループホームページ
  • URL: http://lf-lab.net