レーザー核融合推進のための磁気ノズルシステムの数値計算および実験的検証

• 研究課題/領域番号: 17K14876
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: レーザー核融合推進 / レーザー生成プラズマ / レーザートムソン散乱 / プラズマシミュレーション / 磁気ノズル / 磁場計測 / 輻射流体シミュレーション / 粒子シミュレーション / Magnetic nozzle / laser fusion rocket / MHD simulation / laser Thomson scattering / 航空宇宙工学 / 高出力レーザー生成プラズマ

研究成果の概要

レーザー照射によって高エネルギープラズマを生成し、外部から強磁場を印加することで本推進システムの動作原理を調べた。遠方下流にイオンコレクタを複数配置して排出されるプラズマの計測に成功した。また磁気ノズル内のプラズマの温度・密度・速度等を精度よく計測可能であることを示すと同時に、磁気ノズル内におけるプラズマ減速、加速を検出することに成功した。
また複数コイルを組み合わせたパルス駆動磁場発生装置を開発し、レーザー生成プラズマの排出方向を変更することに成功した。さらにプラズマ生成過程と外部磁場によるプラズマ排出過程を数値計算によって再現し、排出方向と推進効率との関係を明らかにすることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

レーザー核融合に関する研究は米国、欧州、日本が中心となって行われているが、その応用に関する研究はほとんど行われていない。本研究の実験手法と開発した数値計算により、実機を想定した高エネルギー核融合プラズマ実験までのスケーリングを構築できる。
また、高温・高密度プラズマと磁場の相互作用は、普遍的な現象であるにも関わらず、未解決な問題も多く応用分野も広い。例えばレーザー核融合研究における加熱効率の上昇や、太陽プラズマと磁場の相互作用（磁気リコネクション）によるフレアなど我々の生活に大きな影響を与えるプラズマ物理の研究である。 このように本研究は、宇宙推進だけでなく多くの分野への応用が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Portable and noise-tolerant magnetic field generation system (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Edamoto, T. Morita, N. Saito et al.,
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 89 号: 9 ページ: 094706-094706
  • DOI: 10.1063/1.5049217
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thomson scattering measurement of laser-produced plasma in a magnetic thrust chamber (2018)
  • 著者名/発表者名: Yutaro ITADANI, TaichiMORITA, Naoya SAITO, Masafumi EDAMOTO, Tomihiko KOJIMA, Mariko TAKAGI, Keisuke NAGASHIMA, Shinsuke FUJIOKA, Akifumi YOGO, Hiroaki NISHIMURA, Atushi SUNAHARA, Yoshitaka MORI, Tomoyuki JOHZAKI, Hideki NAKASHIMA and Naoji YAMAMOTO
  • 雑誌名: Plasma fusion Research 巻: 13 ページ: 1306016-1306016
  • NAID: 130006742106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental demonstration of ion extraction from magnetic thrust chamber for laser fusion rocket (2018)
  • 著者名/発表者名: Saito Naoya、Yamamoto Naoji、Morita Taichi、Edamoto Masafumi、Nakashima Hideki、Fujioka Shinsuke、Yogo Akifumi、Nishimura Hiroaki、Sunahara Atsushi、Mori Yoshitaka、Johzaki Tomoyuki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 5 ページ: 050303-050303
  • DOI: 10.7567/jjap.57.050303
  • NAID: 210000149032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of unsteady laser-produced plasma-flow with a multiple-coil magnetic nozzle (2017)
  • 著者名/発表者名: Morita Taichi、Edamoto Masafumi、Miura Satoshi、Sunahara Atsushi、Saito Naoya、Itadani Yutaro、Kojima Tomihiko、Mori Yoshitaka、Johzaki Tomoyuki、Kajimura Yoshihiro、Fujioka Shinsuke、Yogo Akifumi、Nishimura Hiroaki、Nakashima Hideki、Yamamoto Naoji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 8910-8910
  • DOI: 10.1038/s41598-017-09273-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] レーザー核融合ロケットにおける円錐形ターゲットの数値解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村徹, 枝本雅史, 森田太智, 砂原淳, 藤岡慎介, 城崎知至, 山本直嗣, 中島秀紀
  • 学会等名: 宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] 準定常磁気ノズルを用いた レーザー生成プラズマの制御および 推力発生機構の実証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 枝本 雅史, 齋藤 直哉, 森田 太智, 児島 富彦, 高木 麻理子, 中島 秀紀, 砂原 淳, 藤岡 慎介, 西村 博明, 余語 覚文, 梶村 好宏, 森 芳孝, 城崎 知至, 山本 直嗣
  • 学会等名: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 磁気スラストチャンバーにおけるプラズマデタッチメントの実験的検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高木麻理子, 森田太智, 斎藤直哉, 枝本雅史, 板谷佑太朗, 児島富彦, 藤岡伸介, 余語覚文, 西村博明2) ,砂原淳, 森芳孝, 城崎知至, 中島秀紀, 山本直嗣
  • 学会等名: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 磁気ノズルにおけるプラズマデタッチメントの数値解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 児島富彦, 森田太智, 高木麻理子, 山本直嗣, 諌山翔伍
  • 学会等名: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] Experimental and Numerical Investigation of Thrust Generation and Vector Control with a Magnetic Thrust Chamber (2017)
  • 著者名/発表者名: Taichi Morita, Satoshi Miura, Hideo Nagatomo, Atsushi Sunahara, Tomohiko Kojima, Naoya Saito, Yutaro Itadani, Yoshitaka Mori, Tomoyuki Johzaki, Akifumi Yogo , Hiroaki Nishimura , Shinsuke Fujioka , Hideki Nakashima , Naoji Yamamoto
  • 学会等名: International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Simulation of Laser-ablation Plasma in a Magnetic Thrust Chamber for Demonstration of a Laser Fusion Rocket (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomihiko Kojima, Hideo Nagatomo, Atsushi Sunahara, Masafumi Edamoto, Taichi Morita, Naoji Yamamoto, Naoya Saito, Satoshi Miura, Yutaro Itadani, Shinsuke Fujioka, Akifumi Yogo, Hiroaki Nishimura, Yoshitaka Mori, Tomoyuki Johzaki, Hideki Nakashima
  • 学会等名: International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma extraction and control technique for laser fusion propulsion (2017)
  • 著者名/発表者名: Taichi Morita, Naoji Yamamoto, Naoya Saito, Masafumi Edamoto, Yutaro Itadani, Tomihiko Kojima, Atsushi Sunahara, Hideo Nagatomo, Shinsuke Fujioka, Tomoyuki Johzaki, Yoshitaka Mori, Mariko Takagi, Keisuke Nagashima, Akifumi Yogo, Hiroaki Nishimura, Hideki Nakashima
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] レーザー核融合推進に むけたモデル実験におけるレーザー生成プラズマの制御とプラズマ計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田太智, 山本直嗣, 齋藤直哉, 枝本雅史, 三浦智之, 板谷佑太朗, 砂原淳, 長友英夫, 藤岡慎介, 城崎知至, 森芳孝, 余語覚文, 西村博明, 中島秀紀
  • 学会等名: 日本物理学会
• [備考] 有人惑星飛行を目指すレーザー核融合ロケット
  • URL: http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/laser_fusion.html
• [備考] Papers related to laser fusion rocket
  • URL: http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/lfr-publications.htm