2014 Fiscal Year Research-status Report
高速点火レーザー核融合におけるドライバ粒子の伝播制御
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25400539
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
坂上 仁志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30254452)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
城崎 知至 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10397680)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | レーザー核融合 / 高速点火 / イオン加速 / 短波長化 / 外部印加磁場 / 磁場圧縮 / 高速電子ガイディング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コーン付きターゲットを用いた高速点火レーザー核融合では，生成される高速電子が大きな発散角を持ち，かつスロープ温度が高すぎるためコア加熱効率の著しい低下が懸念されている．そこで，高エネルギーイオンを用いて追加熱を行うことが考えられている．イオンを超高強度短パルスレーザーで加速する機構には，ターゲット裏面に生成されるシース電場とターゲット前面のポンドラモーティブ力がある．それぞれの場合において，ターゲット構造を工夫してイオン加速の効率を高め，統合シミュレーションを行った結果，平均コア電子温度は，イオン加熱により，20~100%上昇することがわかった．
また，高速電子のスロープ温度を下げる手法として，加熱用レーザーの短波長化（2ω，3ω化）が考えられている．短波長化による影響を輻射流体コードで解析したプリプラズマを用いて生成される高速電子のスロープ温度を粒子シミュレーションで評価した結果，2ω化の場合には37%，3ω化の場合には70%の温度低下が期待できることがわかった．
さらに，高速電子の発散を抑制する手法である外部印加磁場による高速電子ガイディングについては，単純な平行磁場ではなく，爆縮により圧縮された磁場配位の影響を粒子シミュレーションにより評価した．この結果，ミラー比が20以上になるとガイディング効果よりもミラー反射の影響が大きくなることが明らかになった．そして，外部印加磁場を与えたレーザー駆動爆縮の輻射流体シミュレーションでは，シェルの圧縮と伴に磁場も十分に圧縮されることが明らかになったが，電子熱伝導係数の非等方性によってシェルが均一に加速されず，条件によっては爆縮途中でシェルが破断する可能性があることも明らかになった．
一方，ハイブリッドコードによる高速電子伝播のシミュレーションでは，外部印加磁場が中途半端に強いと高強度のホイッスラー波が発生して電子流が淀むことがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
高エネルギーイオンを用いた補助加熱では，二つのイオン加速機構についてターゲット構造をそれぞれ工夫し，イオンによる追加熱の効果を定量的に評価できた．しかし，統合シミュレーションにおいて，粒子コードは2次元コードであるがフォッカープランクコードは1次元コードであるため，加熱ドライバー粒子が持っている発散特性の評価は，十分ではなかった．
加熱レーザーの短波長化により高速電子のスロープ温度を低減する手法では，当初計画していた2ω化だけではなく，更に踏み込んで3ω化も併せて，プリプラズマの生成から高速電子の生成までを定量的に評価できた．しかし，プリプラズマが大きいため，計算資源の制約から，粒子コードは1次元コードの利用に留まっている．
外部印加磁場による高速電子ガイディングでは，より現実的な収束磁場配位を用いて，磁場の形状による効果，特に磁場のミラー比について，コア加熱に与える影響を粒子シミュレーションにより定量的に評価できた．また，外部印加磁場の爆縮による圧縮効果も輻射流体シミュレーションにより確認できた．さらに，ハイブリッドコードによるシミュレーションにより，強磁場配下における高速電子伝播の物理が明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
高エネルギーイオンを用いた追加熱については， 2次元フォッカープランクコードを用いた統合シミュレーションを実施し，加熱ドライバー粒子が持っている発散特性が，コア加熱に対して与える影響を定量的に評価する．更に，高速電子の生成と高エネルギーイオンの生成は一般にトレードオフの関係にあるため，ターゲット構造を工夫し両者によるコア加熱を最適化する．
加熱レーザーの短波長化については，スロープ温度について，2次元粒子コードによる定量的な評価を進める．
外部印加磁場により高速電子をコア近くまでガイドするためには，磁場を生成するコイルの配置や磁場を印加するタイミングにより，初期磁場の配位を調整しなければならないことが示されたので，これを最適化する．また，外部印加磁場の圧縮についても，シェルが破断しない条件を明らかにし，外部印加磁場の形状・構造を取り入れたシミュレーションを行い，磁場形状および構造によるガイディング効率への影響を評価する．また，強磁場配下の高密度プラズマ中におけるホイッスラー波の解析を更に進め，高速電子輸送に対する影響を評価する．
一方，自己生成ピンチ磁場は比較的発散角の小さい水先案内的な超高エネルギー電子によっても生成され，後続するコア加熱に適した比較的エネルギーの低い高速電子をコアに導くことも期待できる．これも，高速電子を伝播制御できる新しい機構であるため，相粒子コードによる詳細な解析を行い，その効果を評価する．
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| Causes of Carryover |
通常3月に開催されていた出席予定の国際会議の開催時期が4月となったため，参加旅費を年度内には執行できず，次年度に繰り越す必要が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
繰り越し分相当額は，その国際会議への参加旅費として利用する．
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[Journal Article] Hot electron spectra in hole-cone shell targets and a new proposal of the target for fast ignition in laser fusion2014
Author(s)
T. Ozaki, A. Sunahara, H. Shiraga, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Sakagami, Z. Zhang, H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Namimoto, M. Taga, S. Kojima, Y. Abe, K. Ishihara, T. Nagai, S. Sakata, S. Hattori, Y. Sakawa, H. Nishimura, H. Azechi, FIREX Group
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Journal Title
Phys. Scr.
Volume: 2014
Pages: 014025
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Computational Study of Magnetic Field Compression by Laser Driven Implosion2014
Author(s)
H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, K. Mima, H. Sakagami, A. Nishiguchi, T. Sano, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
Organizer
25th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
Place of Presentation
St. Petersburg, Russia
Year and Date
2014-10-13 – 2014-10-18
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[Presentation] Hydrodynamics instability in strong magnetic field for fast ignition2014
Author(s)
H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, K. Mima, H. Sakagami, A. Nishiguchi, T. Sano, The Zhang, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
Organizer
13th International Workshop on the Fast Ignition of Fusion Targets
Place of Presentation
Oxford, UK
Year and Date
2014-09-14 – 2014-09-18
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[Presentation] Ultra high magnetic field effects on laser plasma laser interactions2014
Author(s)
K. Mima, Qing Jia, T. Taguchi, H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, S. Fujioka, H. B. Cai, X. T. He, and Y. Kato
Organizer
41st EPS Conf. on Plasma Physics
Place of Presentation
Berlin, Germany
Year and Date
2014-06-23 – 2014-06-27
