実験室プラズマで解き明かす非接触ダイバータの構造形成過程と非定常ダイナミクス
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20H01883
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
飛田 健次 東北大学, 工学研究科, 教授 (50354569)
岡本 敦 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50396793)
木崎 雅志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70598945)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
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| Keywords | 磁場閉じ込め核融合 / 非接触ダイバータ / 体積再結合 / 高エネルギーイオン / 高周波プラズマ / イオン温度 / 高周波プラズマ源 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究はプラズマプロセスやプラズマ推進の分野で広く利用されている高周波プラズマ源をダイバータプラズマ研究に応用するものである。(1)高周波プラズマに特有である単一マックスェル分布から逸脱した電子の生成、(2)波動加熱を利用する事によるイオン温度計測の容易化、および(3)体積再結合プラズマに対するイオンビームの重畳を行う事で実環境のダイバータに近い環境を実験室プラズマ内に作り出し、非接触ダイバータの構造形成過程における粒子・エネルギーバランスや体積再結合反応率に対して高エネルギーイオン衝突が及ぼす影響を実験的に調査するものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は高周波プラズマ源とイオンビーム源を併用する事で核融合炉ダイバータを模擬した研究を展開するものである。今年度は以下の3つの点に取り組んだ。
(1)水素プラズマでは電子-イオン再結合と分子活性化再結合(MAR)の2つの再結合過程により非接触化が進行する。低電子密度かつ高電子温度領域ではMAR過程が優勢である事から、水素MARプラズマの生成に向けた研究に取り組んだ。様々な磁場構造や中性粒子圧力を用いて水素プラズマを計測した結果を詳細に解析した。その結果、高周波アンテナ近傍で低域混成共鳴条件を満たし、また中性粒子圧力を1 Pa程度とする事で水素MARプラズマの生成に期待を持てるパラメータを得られる事が判明した。この成果は指導学生が筆頭著者の論文で成果発表を行った。
(2)水素プラズマへの水素ガスパフ実験を実施した。ガスパフで供給された中性粒子が放電領域まで逆流する事で最適な放電条件から逸脱する事が判明した。それを受け、プラズマ生成部での最適な圧力条件を維持しつつ、ガスパフ領域の圧力を増加させるために必要なガス流量を分子流を仮定した計算により見積もった。マスフローコントローラをガスパフ系に設置する事で中性粒子制御性の向上を行なった。
(3)プラズマ中に入射されたイオンビームのその場計測に関する研究を実施した。グリッド付きエネルギーアナライザを用いたプラズマ中でのイオンビーム計測実験の結果を詳細に解析する事で、背景プラズマから分離してイオンビームのみを計測するための電位構造を見出した。その電位構造を用いる事で背景プラズマ中でのイオンビームのその場計測が可能であることを明らかにした。最適な電位構造を用いない場合、得られるビーム電流値がコレクタ表面から放出された二次電子の影響を受けている事を定量的に明らかにした。これについては研究代表者が筆頭著者となって論文による成果発表を行った。
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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
本研究課題は、(1)ビーム入射実験の標的となる水素再結合プラズマの生成、(2)高強度陽子ビームの生成とプラズマ中での計測、および(3)電子やイオン診断手法の確立の3項目を組み合わせて遂行する。本年度は特に(1)と(2)の項目を中心に取り組んでいる。
(1)に関しては、高周波アンテナ近傍で低域混成共鳴条件を満し、かつ装置内の中性粒子圧力を1 Pa程度とする事で水素分子活性化再結合プラズマ(水素MARプラズマ)を生成する見通しを得た。この成果は指導学生が筆頭著者となって論文を執筆している。解明した最適条件のもとで水素ガスパフ実験を実施したところ、(a)パフされた粒子がプラズマ生成部まで逆流する事で最適な条件を破壊すること、(b)再結合の促進に対してパフされる粒子の数が過剰であることの2点が判明した。これを受けこの2点の問題解決を試みた。分子流を仮定した比較的シンプルな計算を行い、水素MARプラズマの生成に過不足の無いガス供給量を見積もった。見積もった値を実現するためのマスフローコントローラを選定しガスパフ系に設置した。これまでのガスパフ実験ではガスパフ領域の圧力を2.5 Pa 以下にする事が困難であったが、プラズマ生成部での最適圧力を維持したまま、2.5 Pa以下の圧力をガスパフ領域で得られる見込みである。
(2）についてはグリッド付きエネルギーアナライザで取得したデータを詳細に解析する事で以下の3点の成果が得られた： (a)プラズマ中を貫通するイオンビームを直接計測するために必要な電位構造を明らかにする事ができた、(b)最適な電位構造を有さない場合にはコレクタ表面から放出される二次電子によってイオンビーム電流量が過大評価される事が判明した、(c)イオンビームの空間電荷が背景電子によって緩和される事を示唆する結果が得られた。これらの成果は研究代表者によって論文として纏められている。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度の研究改革に従って研究を実施する事が望ましいと考えている。まずは改良したガスパフ系のもとで水素再結合プラズマの生成を試みる。ガス圧力を 1 Pa 程度に維持しつつ、プラズマ生成部近傍で低域混成共鳴条件を満たす事で水素分子活性化再結合プラズマ(水素MARプラズマ)の生成に期待が持てるパラメータが得られる事は既に判明している。このプラズマに対して適切な量の水素ガスパフを行う事で水素MARプラズマの生成を実現する。水素分子活性化再結合が進展するとHαやHβのような水素原子線の発光強度が特徴的な変化を示す。そのため、今後は水素原子線の分光計測も併用した実験を展開する予定である。これと同時に、単一の水素イオン(H+を想定)を選択的に引き出すためのイオンビーム輸送系の改良も行う。これまでの取り組みによって、イオン種弁別フィルタ(ExBフィルタを想定)の概念設計・ビーム軌道に対するフィルタの影響・期待できるH+イオンビーム電流量などの見積もりが完了している。それを受け今後はExBフィルタの設置を行う。その後、ExBフィルタに印加する電圧を変える事で予想通りH+イオンビームが得られているか、ヘリウムイオンビーム電流値に与える影響が事前の予想通りであるか等の検証を行う。本研究課題では電子に加えてイオンの計測も試みる。イオン温度の計測はイオンセンシティブプローブとドップラー分光の2通りで実施する。これまでは比較的高いイオン温度が予想される条件下でイオン温度計測を行なってきたが、今後は再結合が進展するような低温プラズマが計測対象となる。そのような環境下におけるイオンセンシティブプローブ計測やドップラー分光計測は前例がないため、様々な条件での計測を通してイオン温度評価の妥当性を検証する。必要に応じて、ドップラー分光で利用する受光素子をより小さいピクセルを持つ素子に変更する
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
