2022 Fiscal Year Research-status Report
重水素負イオン源における同位体効果の物理メカニズムの理論的解明
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19K03783
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| Research Institution | Naruto University of Education |
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Principal Investigator |
宮本 賢治 鳴門教育大学, 大学院学校教育研究科, 教授 (00532996)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
畑山 明聖 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 名誉教授 (10245607)
星野 一生 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50513222)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | プラズマ / 核融合 / 加速器 / 重水素 / 負イオン源 / 数値シミュレーション / PIC法 / モンテカルロ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、実機核融合用負イオン源や医療用加速器での重水素負イオン源について同位体効果と呼ばれる、水素放電プラズマの場合と異なる物理特性のメカニズムの解明を図る。特に負イオンと同時に引き出される電子電流の増加については、プラズマ生成領域のプラズマ密度増加が原因である事が実験的に示唆された。しかし、なぜ重水素化することでプラズマ生成領域においてプラズマ密度が増加するのかは分かっていない。そこで本研究では電子輸送解析用の大規模な数値シミュレーション（KEIO-MARCコード）と、その支援として水素と重水素の原子・分子衝突過程を考慮した0次元モデルによる解析の両方で研究を進めてきた。
2022年度は電子輸送解析コードKEIO-MARCを水素イオン解析へ拡張し、水素プラズマ輸送に対する同位体効果の解析に先立ち、実形状・実磁場配位のもとで電子および陽子の輸送過程と装置内壁への損失過程について数値解析を行った。その結果、水素イオンの多くはカスプ領域で損失しており、初期運動エネルギーが10 eV以下では電子と同程度の割合であることが明らかになった。また高エネルギー（20~70 eV）になると、ラーマー半径が大きくなり旋回途中で壁に衝突する割合が増えて、カスプ領域外での損失が増加することが分かった。
さらに装置内壁で損失した粒子の分布の半値幅からカスプ損失幅を求めた。プラズマ領域の温度から算出したラーマー直径よりもカスプ損失幅が大きくなることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
水素イオンの輸送・損失過程について新たな知見が得られたが、重水素プラズマでのモデリングや輸送過程、装置内壁への損失過程の解析には至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
三次元電子輸送コードであるKIEO-MARCの水素プラズマを重水素プラズマに変更し、更に他の素過程、各反応によるエネルギー損失や閾値エネルギー、輸送損失、ガス導入量等の同位体間の相違を取り入れ、実験結果との比較を行う。また、KEIO-MARCコードと反応速度方程式をベースとしたゼロ次元モデルの計算結果を相互参照しながら、互いのコードに結果を取り入れて、重水素運転における密度上昇の原因を探る。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、1)研究者（研究代表者、研究分担者）がその他の業務に多忙であったこと、２）研究代表者の身内の不幸と手術・入院、３）水素イオンの輸送過程の解析に想定以上に時間を要した、という３点が挙げられる。
次年度は、１）重水素プラズマのモデル化と数値計算の実施、同位体効果の解析に必要な消耗品（メディアや事務用品等）の購入やスーパーコンピュータ年間使用料、２）研究打ち合わせや成果発表のための旅費、３）論文投稿費や学会参加費に使用する予定である。
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