2022 Fiscal Year Research-status Report
非接触核融合プラズマモデリングを目指した周辺プラズマ・中性粒子輸送コード開発
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19K03802
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
河村 学思 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70509520)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 宏彦 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60609981)
大島 慎介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (00469610)
澤田 圭司 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 核融合周辺プラズマ / 輸送モデリング / 非接触プラズマ / 再結合 / 中性粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
NAGDIS-II直線装置で前年度に本格的に開始した重水素放電で課題となっていた放電の不安定性を解消するため，放電部とダイバータ模擬領域間でガスをバイパスする配管を設置し，バルブ開閉操作による追加の圧力制御を行うことで，放電の安定化を実現させた．また，下流ガス流量調整により重水素プラズマの接触・非接触状態の遷移を制御し，そのときの上流・下流プラズマパラメータをレーザートムソン散乱計測により取得することに成功した．
同装置の数値モデリングでは，前年度に開発したガス排気モデルを用い，EMC3-EIRENEコードを用いたプラズマ輸送計算を実施した．電子加熱パワーと放電部ガス流量を調節して低温の接触プラズマを生成し，下流ガス流量を徐々に上昇させることで非接触遷移を達成させた．
水素原子分子の輸送モデリングでは，水素分子の電子・振動・回転状態を区別した水素分子衝突放射モデルの整備し，非接触プラズマにおける電子と陽子のエネルギー損失率係数を計算した．非接触プラズマのプラズマパラメータの元で電子基底状態の振動・回転ポピュレーション分布を初期300 Kのボルツマン分布を与えて時間発展的に解いたところ，電子衝突での振動・回転励起による電子のエネルギー損失が，分子の解離を伴うトリプレット状態への励起によるエネルギー損失よりも1桁から2桁大きいことがわかった．
また，非接触プラズマ研究を目的とはしていないが，Heliotron J装置のEMC3-EIRENEモデルによる加熱パワーと電子密度のサーベイを行い，高密度条件で質的な変化を伴う下流プラズマパラメータの変化を得ており，直線装置以外の放電条件について検討を行った．
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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
Wisconsin大学の研究グループの協力により，体積再結合を含めたEMC3-EIRENE計算が実現し，NAGDIS-IIの重水素非接触放電の計算にめどが立ったのがもっとも大きな進展である．分子活性再結合(MAR)と電子イオン再結合(EIR)の体積当たりの反応レートの空間分布を得ることができるようになり，電子温度が2 eVを下回り始めた領域でMARが増加し，ターゲット板に向かってさらに低温化するとMARが低下し，1 eVを下回る用域では入れ替わるようにEIRが増加し，明確な粒子束の減少が確認できた．一方，実験では再結合反応レートの直接計測は困難であるものの，下流ガス流量を振った一連の放電で，レーザートムソン散乱計測で電子温度に特徴的な変化が観測されるとともに，発光分光計測からガス圧条件に応じてMARとEIR発生時に現れる特徴が確認された．
コロナ禍による海外との行き来が制約されている中，進捗に遅延が生じていたが，数値モデリングと実験が歩調を合わせて研究を進められる状況となり，両者の比較を含めた詳細な物理解析の基礎が整いつつある進捗状況を有効に活用するため，補助事業期間延長を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度では，NAGDIS-II装置における重水素非接触プラズマについて，数値モデルと実験の双方から各種物理量の比較検討を進める．ガスの流入条件や加熱機構などの状況に違いがあることに留意しつつ，再結合領域の形成過程やその規模などの定性的な特徴に注目し，非接触プラズマの物理的な理解を進める．また，原子分子の各反応レート分布や，特定の反応の輸送への影響評価など，数値モデリングの利点を生かした解析を進める．また，他の装置（W7-X，CFQS，HIT-PSI，JT-60SA，EASTなど）に関する数値輸送モデリング共同研究と関連付けて研究の展開を検討する．中でも，CFQSとW7-Xに関してはフットプリントやダイバータプラズマ特性についての検討を開始している．
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| Causes of Carryover |
コロナ過で海外出張を行わなかっため，大きな旅費が不要となった．次年度は国際会議への参加費用や論文投稿費用へ繰越金の使用を予定している．
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