高速点火レーザー核融合におけるコア加熱の最適化

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K05638
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 坂上 仁志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30254452)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 城崎 知至 広島大学, 工学研究院, 准教授 (10397680)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: レーザー核融合 / 高速点火 / 統合シミュレーション / 外部磁場 / 高速電子ガイディング / レーザーイオン加速

Outline of Annual Research Achievements

まず，磁場生成用のキャパシターコイルを含むコーン付き中実球ターゲットを設計し，コーン外側から過渡的に印加した磁場のコーン内部への拡散を評価した結果，金（Au）の導電率によっては磁場の拡散が遅く，コーン内部に十分浸透しないことがわかった．また，磁場による熱伝導の非等方性についてはBraginskiiのモデルを用いているが，運動論に基づくシミュレーション解析によってモデルの妥当性を検証した結果，アブレーションにより最大15%程度の差異のあることが明らかになった．
一方，強磁場下における超高強度レーザーとプラズマの相互作用については，磁場がレーザーフィラメント内から排斥され，フィラメント周囲で圧縮されることが明らかになったが，生成される高速電子のスペクトル特性は大きく変化しないこともわかった．
次に，外部磁場による高速電子ガイディングの効果を統合シミュレーションにより総合的に評価した結果，磁場生成用レーザーの照射タイミングは最大圧縮時より早い時刻の方が，コア加熱効率の良いことがわかり，最大1.8倍向上することを明らかにした．
更に，高エネルギーイオンによる補助加熱については，光圧によるイオンの直接加速を用いるためコーンチップを低密度CHフォームで単にコーティングしただけでは，イオンビームの発散が大きく，コア加熱に適さないことがわかった．そこで，まず，コーン壁面に沿った電子密度増加に伴う静電場の誘起を抑止するためターゲット構造をテーパーなしとし，CHフォームの凹面変形による発散を補償するためCHフォームを凸面にした．この結果，イオンによる加熱効率は約2倍向上したが，電子による加熱効率がおよそ半分に減少したため，総合的なコア加熱は向上せず，ターゲット構造の最適設計が必要であることがわかった．

Current Status of Research Progress

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

Reason

コア加熱効率に大きな影響を与える高速電子の燃料コアへの外部磁場によるガイディングについて，キャパシターコイルのコイル電流による磁場生成の過渡応答を計算した結果，十分な磁場強度が得られることはわかったが，磁場のコーン外側から内側への拡散スピードは，コーン材である金（Au）の導電率によっては遅すぎることがわかり，定量的な評価のためにはWarm Dense Matter領域における金（Au）の導電率を実験的に測定する必要のあることがわかった．
磁場による電子熱伝導の非等方性が輻射流体運動に与える効果は，概ねBraginskiiモデルでシミュレーションできており，強磁場下におけるレーザープラズマ相互作用の粒子コードによるシミュレーションでは，磁場が高速電子のスペクトル特性に大きな影響を与えないことがわかった．
また，2次元加熱燃焼コードの開発が進んだため，高速電子ガイディングの効果について2次元統合シミュレーションが可能となり，加熱レーザーの入射タイミングとコア加熱の効率向上の関係が示され，大阪大学におけるFIREX統合実験の結果と比較でき，両者は定性的に一致していた．
一方，高エネルギーイオンによる補助加熱については，ターゲット構造の最適化が当初の予定より進展し，2次元統合シミュレーションによる解析も先行して実施できた．しかし，2次元加熱燃焼コードの高速化が十分ではないため，統合シミュレーションには極めて長い時間を要し，シミュレーション研究の効率が悪く，この改善が今後の課題である．

Strategy for Future Research Activity

加熱全エネルギーを増加させるため，加熱用レーザーの長パルス化が計画されているので，高エネルギーイオンによる補助加熱について，長パルスでもイオン加速が持続するターゲット構造を設計し，高エネルギーイオンによる加熱効率向上を目指すと伴に，高速電子による加熱効率が低下しないよう工夫する．
また，加熱用レーザーLFEXは4ビームで構成されているため，時間的（または空間的）に重ね合わせることにより，ドライバ粒子特性の同一パルス長下の平均レーザー強度に対する依存性（または同一レーザー強度下のパルス長に対する依存性）を調べることができる．そこで，種々のレーザーパラメータに対するドライパ粒子の特性を評価し，FIREX基礎物理実験の結果と比較しつつ，コア加熱を最大化するために最適なレーザーパラメータを明らかにする．
更に，強磁場中では，レーザーが円偏光波であるホイッスラーモードにより高密度プラズマ中に侵入できるので，粒子コードを円偏光が扱えるように改良して，円偏光レーザーの高密度プラズマ中における伝播とレーザーから電子へのエネルギー付与の特性を解析し，円偏光レーザーによるコア加熱効率を評価する．
その他，各シミュレーションコードのシミュレーションモデルを改良しながら高速化も図り， 統合シミュレーションの精度を上げて，FIREX統合実験の解析を行う．

Causes of Carryover

出席を予定していた国際会議の開催時期が，3月から4月に変更になったため，その旅費を年度内に執行できなかった．

Expenditure Plan for Carryover Budget

4月に旅費として利用する．

Research Products

• [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, and H. Azechi
  • Journal Title: Plasma Phys. Control. Fusion Volume: 59 Pages: 014045
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of radiation reaction in the interaction between cluster media and high intensity lasers in the radiation dominant regime (2016)
  • Author(s): N. Iwata, H. Nagatomo, Y. Fukuda, R. Matsui, and Y. Kishimoto
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 23 Pages: 063115
  • DOI: 10.1063/1.4954152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kinetic simulation of electron transport using electron magnethydrodynamic structures (2016)
  • Author(s): M. Hata, H. Sakagami, and A. Das
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 688 Pages: 012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron beam guiding by strong longitudinal magnetic fields (2016)
  • Author(s): T. Johzaki, K. Mima, S. Fujioka, H. Sakagami, A. Sunahara, H. Nagatomo, and H. Shiraga
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 688 Pages: 012041
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated simulations for ion beam assisted fast ignition (2016)
  • Author(s): H. Sakagami, T. Johzaki, A. Sunahara, and H. Nagatomo
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 688 Pages: 012096
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012096
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of the irradiation of a finite number of laser beams on the implosion of a cone-guided target (2016)
  • Author(s): T. Yanagawa, H. Sakagami, H. Nagatomo, and A. Sunahara
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 688 Pages: 012127
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012127
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron beam guiding by external magnetic fields in imploded fuel plasma (2016)
  • Author(s): T. Johzaki, Y. Sentoku, H. Nagatomo, A. Sunahara, H. Sakagami, S. Fujioka, H. Shiraga, T. Endo, and FIREX project group
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 717 Pages: 012025
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study of fast electron generation using multi beam of LFEX-class laser (2016)
  • Author(s): M. Hata, H. Sakagami, T. Johzaki, Y. Sentoku, and H. Nagatomo
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 717 Pages: 012037
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An optimum design of implosion with external magnetic field for electron beam guiding in fast ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, K. Matsuo, A. Sunahara, H. Sakagami, T. Sano, K. Mima, A. Morace, Z. Zhang, S. Fujioka, K. Shigemori, H. Shiraga and FIREX project group
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 717 Pages: 012041
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation analysis for ion assisted fast ignition using structured targets (2016)
  • Author(s): H. Sakagami, T. Johzaki, A. Sunahara, and H. Nagatomo
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 717 Pages: 012046
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct heating of compressed core by ultra-intense laser (2016)
  • Author(s): A. Sunahara, T. Johzaki, H. Sakagami, H. Nagatomo, K. Mima, Y. Abe, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi, Y. Mori, Y. Sentoku and Y. Kitagawa
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Series Volume: 717 Pages: 012055
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The formation mechanism of the periodic nanograting structure by the Weibel instability (2016)
  • Author(s): A. M. Gouda, H. Sakagami, T. Ogata, M. Hashida, and S. Sakabe
  • Journal Title: Appl. Phys. A Volume: 122 Pages: 454
  • DOI: 10.1007/s00339-016-9958-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Orientation of periodic grating structures controlled by double-pulse irradiation (2016)
  • Author(s): M. Hashida, T. Nishii, Y. Miyasaka, H. Sakagami, M. Shimizu, S. Inoue, and S. Sakabe
  • Journal Title: Appl. Phys. A Volume: 122 Pages: 484
  • DOI: 10.1007/s00339-016-0011-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation Mechanism of a Periodic Nanograting Structure by a Surface Plasma Wave (2016)
  • Author(s): A. M. Gouda, H. Sakagami, T. Ogata, M. Hashida, and S. Sakabe
  • Journal Title: Plasma Fusion Res. Volume: 11 Pages: 2401071
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2401071
  • Peer Reviewed
• [Presentation] イオン補助加熱高速点火レーザー核融合におけるコア加熱のレーザーパルス依存性 (2017)
  • Author(s): 坂上仁志，城崎知至，砂原淳，長友英夫，千徳靖彦
  • Organizer: 日本物理学会第７２回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-20 – 2017-03-20
• [Presentation] キロテスラ級強磁場下での相対論レーザープラズマ相互作用(1)電子加速 (2017)
  • Author(s): 城崎知至, 甲斐祐亮, 武田志十朗, 遠藤琢磨, 千徳靖彦, 畑昌育, 田口敏弘, 三間圀興
  • Organizer: 日本物理学会第７２回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-19 – 2017-03-19
• [Presentation] 強磁場中の高強度レーザープラズマ相互作用に関する研究II (2017)
  • Author(s): 畑昌育，坂上仁志，城崎知至，千徳靖彦，長友英夫
  • Organizer: 日本物理学会第７２回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] レーザー核融合の爆縮シミュレーションにおける非局所電子熱伝導モデルの影響 (2017)
  • Author(s): 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • Organizer: 日本物理学会第７２回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 輻射-電磁流体コードへの非局所電子熱伝導モデルの導入 (2016)
  • Author(s): 長友英夫，朝比奈隆志，砂原淳，城﨑知至
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第３３回年会
  • Place of Presentation: プラズマ・核融合学会第３３回年会
  • Year and Date: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [Presentation] 電子ビーム駆動高速点火レーザー核融合における核融合点火条件(1) (2016)
  • Author(s): 城﨑知至, 長友英夫, 砂原淳, 千徳靖彦, 甲斐祐亮, 遠藤琢磨
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第３３回年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-11-29
• [Presentation] Effect of non-local electron conduction in compression of solid ball target for fast ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T. Asahina, T. Johzaki, P. Nicolai
  • Organizer: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: San Jose, CA, USA
  • Year and Date: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Compression and Electron Beam Heating of Solid Target under the External Magnetic Field for Fast Ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina. S.LeesM. Hata, Sunahara, S. Fujioka, K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, A. Sunahara, H. Sakagami
  • Organizer: 26th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of strong external magnetic fields on laser-plasma-interactions and characteristics of the generated electrons (2016)
  • Author(s): M. Hata, H. Sakagami, T. Johzaki, Y. Sentoku, and H. Nagatomo
  • Organizer: 34th European Conference on Laser Interaction with Matter
  • Place of Presentation: Moscow, Russia
  • Year and Date: 2016-09-18 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中実球の高密度圧縮における高速電子の影響の評価 (2016)
  • Author(s): 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] コーン付CD中実球のレーザー生成高速電子ビームによる加熱特性解析I (2016)
  • Author(s): 城崎知至, 長友英夫, 砂原淳, 千徳靖彦, 坂上仁志, 田口俊弘, 藤岡慎介, 白神宏之, FIREXプロジェクトグループ
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] イオン補助加熱高速点火におけるコア加熱の統合シミュレーション (2016)
  • Author(s): 坂上仁志，城崎知至，砂原淳，長友英夫
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] 強磁場中の高強度レーザープラズマ相互作用に関する研究 (2016)
  • Author(s): 畑昌育，坂上仁志，城崎知至，千徳靖彦，長友英夫
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] シェル内面への高強度レーザー照射による磁場生成 (2016)
  • Author(s): 砂原淳，畑昌育，安部勇輝，李昇浩，尾崎哲，城崎知至，長友英夫，有川安信， 藤岡慎介，坂上仁志，中井光男，白神宏之，乗松孝好，疇地宏
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] 粒子シミュレーションによる高速点火レーザー核融合の物理の理解 (2016)
  • Author(s): 畑昌育，小島完興，坂田匠平，坂上仁志，城崎知至，千徳靖彦，長友英夫
  • Organizer: 第１１回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-14
• [Presentation] 高速点火のため外部磁場中の燃料球圧縮 (2016)
  • Author(s): 長友英夫, 城﨑知至, 朝比奈隆志, 砂原淳, 坂上仁志
  • Organizer: 第１１回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-14
• [Presentation] 磁化高速点火におけるコア加熱特性 (2016)
  • Author(s): 城崎知至, 長友英夫，千徳靖彦, 砂原淳，坂上仁志, 甲斐祐亭，遠藤琢磨，藤岡慎介, 余語覚文，有川安信
  • Organizer: 第１１回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-14
• [Presentation] Short wavelength effects on fast electron generation in fast ignition (2016)
  • Author(s): H. Sakagami, R. Sato, T. Johzaki, A. Sunahara, Y. Arikawa and H. Nagatomo
  • Organizer: 43rd EPS Conf. on Plasma Physics
  • Place of Presentation: Leuven, Belgium
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2016)
  • Author(s): T. Johzaki, R. Kai, D. Ajimi, T. Endo, H. Nagatomo, A. Sunahara, Y. Sentoku, H. Sakagami, M. Hata, T. Taguchi, K. Mima, A. Yogo, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi and FIREX project
  • Organizer: 43rd EPS Conf. on Plasma Physics
  • Place of Presentation: Leuven, Belgium
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Formation Mechanism of Periodic Nano-Grating Structures by Nonrelativistic Intensity Laser (2016)
  • Author(s): A. M. Gouda, H. Sakagami, M. Hashida, and S. Sakabe
  • Organizer: 第85回レーザー加工学会講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス
  • Year and Date: 2016-06-09 – 2016-06-09
• [Presentation] Characteristics of Fast Electrons Generated by Multi Beam of LFEX Laser (2016)
  • Author(s): M. Hata, H. Sakagami, T. Johzaki, Y. Ssentoku, and H. Nagatomo
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated Simulations of Core Heating for Ion Assisted Fast Ignition (2016)
  • Author(s): H. Sakagami, T. Johzaki, A. Sunahara and H. Nagatomo
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solid Target Compression Under the Strong Magnetic Field for Fast Ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina, S. Lee, A. Hata, S. Fujioka, K. Mima, A. Sunahara, H. Sakagami
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Temporal Evolution of External Magnetic Fields Applied to the Cone Target (2016)
  • Author(s): A. Sunahara, K.-F. Law, S. Sakata, S.-H. Lee, Y. Aarikawa, S. Fujioka, T. Johzaki, H. Sakagami, H. Nagatomo, H. Shiraga, H. Azechi, and FIREX Group
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated Simulation of Imploded Core Heating for the FIREX project (2016)
  • Author(s): T. Johzaki, H. Nagatomo, Y. Sentoku, H. Sakagami, A. Sunahara, S. Fujioka, A. Yogo, H. Shiraga, H. Azechi, and FIREX Project Group
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research / Invited