2013 Fiscal Year Research-status Report
高速点火レーザー核融合炉用液体金属ミラーの損傷閾値とダンピングの評価
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25420887
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
乗松 孝好 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (50135753)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
實野 孝久 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (30162811)
功刀 資彰 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40301832)
島田 義則 公益財団法人レーザー技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (80250091)
本越 伸二 公益財団法人レーザー技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (20270580)
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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 / 炉工 / 最終光学系 / 液体金属ミラー |
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| Research Abstract |
本年度は１）レーザー照射後の液体金属ミラー表面の振動測定技術の検証と、２）損傷閾値評価法の検証を中心に行った。
課題１）では深さ3mm程度の水銀表面に損傷閾値以下のレーザーパルス（Nd:YAGレーザー、波長 1064 nm、エネルギー ＜75 mJ、パルス幅 8 ns、単パルス照射、水銀上での照射直径 6 mmφ 平均照射面積 0.28 cm2）を照射し、10mm離れた場所にプローブレーザー光を照射し、干渉法で液面の振動を計測した。損傷閾値以下であっても表面はレーザー光を吸収し振動する。このパラメータ領域では光圧力ではなく、水銀の熱膨張、もしくは蒸気が発生する反作用で液面を押すためである。その結果、100cm/s程度の速度を持つ表面波が発生し、水銀表面を何度も往復する。振動が照射前のレベルにまで減衰する時間は照射強度に依存し、照射強度が損傷閾値に近いく、液の直径3cm程度の場合2秒近くかかることが分かった。当初の目的である「静かな液面」を確認するには十分な方法であることが確認できた。
課題２では液面表面に強度を変えながらレーザー光を集光し、反射率が不連続に変化したところでプラズマが形成されたと判断し、それを損傷閾値とすることを考えた。この評価法と既存のレーザー照射後、顕微鏡で痕跡を確認する方法との差を確認するため、損傷閾値の分かっているアルミ蒸着ミラーに集光強度を変えながらレーザー（波長1.06ミクロン、パルス幅10nsを照射し、反斜率が不連続に変化する強度を確認した。その結果、0.26J/cm2に変曲点が存在することが分かった。この値は報告さえている金属アルミミラーの損傷閾値に等しく、強度を上げながら液体面にレーザーを照射し、その反射率の屈曲点で損傷閾値を推定することができることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は実験に用いる計測技術の検証を中心に行った。これは当初の計画の通りである。液面振動の測定技術、液体面に於ける損傷閾値の推定技術、いずれも実験可能との結論をえたので、平成26年度は課題１）に関しては浅いダンピングが期待できる液面での計測、鉛を使った計測を実施する。課題２）では液体鉛を用いた測定を予定している。また、ダンピングが無視できないときの表面波の伝搬のシミュレーションを行う。最終年度の概念設計へと研究を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザー核融合炉の最終目的では炉1基あたり４Hzの運転を考えている。水銀を用いた予備実験では4Hzの繰り返しを行うためにはレーザーのフルーエンスを1kJ/m2程度に抑える必要がある。この結果をそのまま適用すると、10m×10mのミラーが必要になることを意味し、発電システムに組み込むためには少し大きすぎる。
鉛は音響振動を良く吸収する材料であり、また、深さを少し浅くすると粘性の影響が出てきて振動は速く減衰する。液面は水銀よりも速く「静かな状態」に復帰すると考えられ、平成26年度の実験に期待している。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
水銀を使った予備実験が既存の光学系を用いて比較的スムースに進行したため、若干の余剰金が発生した。
本年度は液体鉛を用いる予定であるが、真空中ではヒーターと容器、および鉛の間の熱伝達が直接接触と熱輻射しか期待できない（気体による熱伝導がない）ため、ヒーターの温度を高くせざる終えない。消耗が予想されるので、ヒーターの更新に使用する。
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