2018 Fiscal Year Research-status Report
ダイバータ熱流予測性能向上のための高速水素イオン衝突時の水素粒子生成消滅過程解明
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17K14895
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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 | 高エネルギーイオン / 体積再結合 / 非接触ダイバータ / 高周波プラズマ源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
非接触ダイバータに流入する高エネルギー水素イオンがダイバータプラズマ中の体積再結合過程に及ぼす影響の実験的解明を目指し、本年度に取り組んだ項目は以下の通りである。
1. 昨年度に整備した Ion Sensitive Probe (ISP) を用いたRFプラズマ中のイオン温度計測の妥当性を他の計測手法との比較により検証した。ISPのコレクタ電極とガード電極間の距離を適切に調整する事で、RFプラズマ中のイオン温度計測手法として利用可能である事を確認した。また、ISPを用いてイオン温度の空間分布も取得可能である事を確認したが、円柱プラズマの周辺部ではイオンラーマー運動の影響によってイオン温度の過大評価に陥る可能性も見出した。
2. 核融合炉のダイバータプラズマを模した二電子温度を有するヘリウム体積再結合プラズマをDT-ALPHA装置内に生成し、電子エネルギー分布関数(EEDF)が再結合プラズマの分光診断に与える影響を調査した。EEDFが単一マックスウェル分布から逸脱する場合、ボルツマンプロット法が電子温度や電子密度を著しく過小評価する事を実験的に確認した。
3. DT-ALPHAにおいて水素MAR過程や水素EIR過程を促進するため、低域混成共鳴条件と中性粒子圧力条件に着目した高電子密度化を試みた。RFアンテナ端でLH共鳴条件を満たしつつ中性粒子圧力を変化させた実験を行い、より低圧力な環境であるほど高電子密度な水素プラズマが得られる事が判明した。MARやEIRプラズマの生成には0.7 Pa以下の圧力が必要になる物と推定できた。
4. DT-ALPHAに水素イオン弁別用のExBフィルタを導入する場合、弁別の必要の無いヘリウムイオンビームに対する影響も生じる事になる。フィルタ導入後に比較参照するデータとするため、現体系での水素およびヘリウムイオンビームの総電流量を取得した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実施計画に従い概ね順調に研究計画を遂行した。
本研究課題の遂行には、(i)水素MAR/EIRプラズマの生成、(ii)電子/イオン診断手法の確立、(iii)高エネルギー・大電流陽子ビームの生成が必要となる。(i)に関しては低域混成共鳴条件と中性粒子圧力条件に着目した調査を行い、低圧力環境ほど高密度水素プラズマが得られる事が判明した。中性粒子圧力と電子密度の関係から、MAR/EIRプラズマの生成には0.7 Pa以下程度の圧力が必要になると推定できている。一方、そのような圧力は現有のマスフローコントローラでは実現できない領域であるため、新規に整備を行う必要が判明した。中性粒子圧力が最適化された条件でプラズマを生成し、ガスパフを実施する事によって水素MAR/EIRプラズマの生成が期待できる。(ii)については、電子エネルギー分布関数が単一マックスウェル分布から逸脱するヘリウム再結合プラズマを生成し、ボルツマンプロット法が電子温度と電子密度を著しく過小評価する事を実験的に見出した。同時に放射再結合による連続光を用いる事で高エネルギー電子成分の影響を受けずに電子温度・電子密度を評価できる可能性を見出している。イオン計測については、ドップラー分光法との比較を通してIon Sensitive Probe (ISP)をRFプラズマ診断に適用する際の条件や、ISPパラメータがイオン温度計測に与える影響を明らかにした。また、イオンラーマー運動がイオン温度の空間分布計測に与える影響を実験と計算から明らかにしている。ターゲットプラズマ診断手法の確立は順調に進行しているが、(iii)に関しては想定よりもやや遅れている。水素イオン弁別用ExBフィルタの導入に先立ち、現状で引き出す事のできる総イオンビーム電流量の調査や、イオン源内に生成された水素プラズマ中の陽子割合の評価に時間を要したためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね次年度の研究実施計画に従い推進する事が望ましいと考えている。先に述べた(i)~(iii)の課題に対応させながら今後の推進方策を述べる。
(i)については、より低い流量まで制御可能なマスフローコントローラを新規に整備し、これまで実現する事ができなかった0.7 Pa以下の圧力環境を実現する。低域混成共鳴(LH共鳴)を利用する事で高密度なプラズマが得られる事は既に判明しているため、LH共鳴を利用しながらMAR/EIRプラズマの生成に必要となる高電子密度水素プラズマの生成を達成する。そのようなプラズマに対してガスパフを行い水素MAR/EIRプラズマの実現を試みる。(ii)については、Ion Sensitive Probe (ISP)のダイバータプラズマ研究への適用可否を明らかにするため、様々な圧力領域でISP計測を実施して適用可否を検証する。また、背景プラズマだけではなくイオンビーム計測手法も更に検討を進める必要があると考えている。昨年度の研究成果によって、背景プラズマとイオンビームとを弁別した計測を実施するためのエネルギーアナライザの電位構造条件は判明しているが、体積再結合が進展するような高密度プラズマ中での弁別条件を明らかにする必要があるためである。また、高エネルギーイオン衝突によって引き起こされる高速な変化を計測するため、整備されている分光器にプリアンプを導入し、時間分解能を向上させる計画である。(iii)については、DT-ALPHAのイオンビーム輸送系にExBフィルタを導入する。その後、フィルタ内部の電場を調整してヘリウムイオンビーム引き出しへの影響が最小となる条件や、陽子ビーム電流量が最大となる条件を探査する。合わせて今年度得られたデータから予想されるヘリウムイオン/陽子ビーム電流値との比較を行う。その後高エネルギー水素イオンビーム重畳実験に移行する。
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Research Products
(12 results)
