2019 Fiscal Year Research-status Report
アルファ粒子のチャネリングによる炉心プラズマ要求緩和と核融合炉設計空間の拡大
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17K07002
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
飛田 健次 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所, 副所長(定常) (50354569)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 宏幸 東北大学, 工学研究科, 助教 (30768982)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 核融合炉 / システム設計 / アルファ粒子 / チャネリング / イオン温度 / 電子加熱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合プラズマ中の核融合反応で発生するアルファ粒子はその運動エネルギーの多くを電子に移行させ、核融合反応に寄与するプラズマイオンは電子から間接的にエネルギーをもらうことになる。これに対し、アルファ粒子の運動エネルギーを直接イオン加熱に結びつける概念として提案されたのがアルファ粒子チャネリングであり、これによって効率的な核融合炉システムを構築できる可能性がある。本研究の狙いは、核融合炉システム設計の観点から、アルファ粒子チャネリングのインパクトを分析するところにある。
イオンと電子の温度を等温としたこれまでの核融合炉の設計とは異なり、本研究ではイオン温度は電子温度より高いという条件で核融合炉システム解析を行った。この結果、イオン温度の増加は核融合炉の出力上昇には結びつくものの、プラズマβ値を拘束条件とすれば、電子温度の低下を招き、この結果、必要とされるプラズマ電流駆動パワーは大幅に増大し、総じて正味の電気出力の低下に至ることが明らかになった。この結果を設計マップとして図示するため、広いパラメータ空間で核融合炉設計解析を実施しているが、解析コードのアルゴリズムに由来する計算の不具合が発生しており、現在、解析コードの改善作業を実施しているところである。プラズマβ値及び核融合出力の制約下では、電子温度の高い運転条件が優位という結論が得られつつあることから、プラズマ統合コードTASKを用いて核融合炉の電子加熱解析を並行して進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2019年度は本研究用に改造した核融合炉システム設計コードTPCを用いて、（1）プラズマβ値は限界値を超えられない、(2)イオン温度＞電子温度、という条件下で核融合炉システム解析を行った。この結果、チャネリング効果等によるイオン温度の上昇があれば核融合炉の出力は増加するが、一方で電子温度の低下を招き、必要とされるプラズマ電流駆動パワーの増大のため正味の電気出力は低下することが明らかになった。この結果を、核融合炉の設計マップとして図示するため、広い設計パラメータ空間にわたって核融合炉システム解析を実施したところ、部分的に説明できない解析結果が発生した。この原因は核融合炉システム設計コードのアルゴリズムに由来する計算の不具合と考えられ、プログラム構造及びアルゴリズムの見直しを行った。当初計画では2019年度に核融合炉の設計領域の分析を実施して研究課題の完了を目指したが、設計コード全体にわたるアルゴリズムの改修、解析モデルの改訂、検証作業を追加することになったため補助事業期間延長申請（2020年度まで）を行い学振の承認を受けた。
他方、これまでの研究を通して、プラズマβ値及び核融合出力の制約下では電子温度の高い運転条件が総じて炉システムの観点から優位という結論が得られつつあることから、新たにプラズマ統合コードTASKを導入し、東北大学と協力して核融合炉の電子サイクロトロン（ECRF）加熱解析に着手した。これまで、ベンチマークを目的として、核融合炉の条件でECRFの入射方向、周波数、プラズマパラメータを変化させた解析を行い、先行研究をほぼ再現する結果を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
核融合炉システム設計コードの改造作業については、プログラム構造及びアルゴリズムの問題点の分析を終えており、2020年度前半には実際のプログラム改良作業を完了する計画である。プログラムの改良が終了後は核融合炉の設計パラメータの解析作業を行い、核融合炉設計領域マップを作成する。これによって、核融合炉設計における電子温度の重要性を明示的に示す。
本研究の延長上の研究として実施している核融合炉プラズマへのECRF入射解析では、入射パワーを数10MWまで増加させたときの非線形パワー吸収、さらには複数周波数入射による非線形パワー吸収の増長効果の解析を行い、高効率電子加熱に向けたシミュレーション研究を実施する。
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| Causes of Carryover |
2019年度上半期に核融合炉システム設計コードでは解析できないケースがあることが判明したことを受け、当初計画していた研究打合せ、国際・国内会議での研究発表、論文投稿を取りやめた。この結果、研究発表・研究打合せのための旅費が比較的少額にとどまった。また、研究の最終段階で計画していた核融合炉概念検討を先送りしたため、その経費を繰り越すこととした。
2020年度は、核融合炉システム設計コードの改良作業及びそのためのソフトウェア購入に繰越金の一部を利用するほか、研究打合せ、成果発表のための旅費、会議参加費、投稿料として使用する計画である。
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Research Products
(3 results)
