水素分子の電子・振動・回転状態を区別した中性粒子輸送コードの構築とその検証

• 研究課題/領域番号: 18K03581
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 澤田 圭司 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022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); 2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2019年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2018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: 水素分子 / 振動状態 / 回転状態 / 衝突輻射モデル / 中性粒子輸送コード / 非接触プラズマ / 分子活性化再結合 / ダイバータプラズマ / 高周波プラズマ / 周辺プラズマ / 核融合 / ダイバータ / 原子分子過程

研究成果の概要

核融合ダイバータプラズマ中の荷電粒子と水素分子の衝突では、分子活性再結合過程など、反応速度係数が水素分子の振動・回転状態により数桁もかわるものがあり、水素分子の電子・振動・回転状態を考慮した詳細なモデルが必要となっていた。本研究では申請者が開発する電子・振動・回転状態を考慮した水素分子の衝突輻射モデルを組み込んだ中性粒子輸送コードを開発した。プラズマ中の水素分子の振動・回転ポピュレーション分布、および分子の振動・回転励起を引き起こすことによるプラズマ中の荷電粒子のエネルギー損失が計算できるようになった。また、申請者が有する高周波放電装置にコードを適用してコードの検証を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

核融合発電炉実現に向けた大きな問題として、粒子排気部で荷電粒子と接触するダイバータ板の損耗がある。これに対し、ダイバータ板近傍に存在する水素分子を荷電粒子からダイバータ板を守る緩衝材とする方策が有力視されている。荷電粒子と水素分子の衝突では、分子活性再結合過程など、反応速度係数が水素分子の振動・回転状態により数桁もかわるものがあり、ダイバータ近傍のプラズマシミュレーションでは水素分子の振動・回転状態を区別したモデルが必要となっていた。本研究では振動・回転状態を区別してプラズマ中の分子密度を計算する中性粒子輸送コードを開発した。分子との衝突による荷電粒子のエネルギー損失が計算できるようになった。

研究成果

• [雑誌論文] Electron and Proton Energy Loss via Rovibrational Excitation of Molecular Hydrogen in Fusion Detached Plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: SAWADA Keiji
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 17 号: 0 ページ: 2403044-2403044
  • DOI: 10.1585/pfr.17.2403044
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2022-06-06
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope Effect for Plasma Detachment in Helium and Hydrogen/Deuterium Mixture Plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: GUO Xinyue、TANAKA Hirohiko、KAJITA Shin、OHNO Noriyasu、HATTORI Shogo、SAWADA Keiji
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 17 号: 0 ページ: 2402027-2402027
  • DOI: 10.1585/pfr.17.2402027
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2022-05-13
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reduction of pulsed particle load with dynamic pressure induced by transient recycled neutral flux (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Yuki、Tanaka Hirohiko、Ohno Noriyasu、Kajita Shin、Morgan Thomas、van der Meiden Hennie、Scholten John、Vernimmen Jordy、Natsume Hiroki、Sawada Keiji、Masuda Shota
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 64 号: 10 ページ: 105013-105013
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac8acb
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope effect of rovibrational distribution of hydrogen molecules desorbed from amorphous carbon (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Nakamura, S. Saito, T. Sawada, K. Sawada, G. Kawamura, M. Kobayashi, and M. Hasuo
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 61 号: SA ページ: SA1005-SA1005
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac2435
  • NAID: 120007191897
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 要素モデルの統合が実現する壁からプラズマまでを含めた中性粒子輸送研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤誠紀, 中村浩章, 澤田圭司, 河村学思, 小林政弘
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Res 巻: 98 ページ: 5-19
• [雑誌論文] Influence of Nitrogen Ratio on Plasma Detachment during Combined Seeding with Hydrogen on Divertor Simulation Experiment of GAMMA 10/PDX (2021)
  • 著者名/発表者名: GAMO Hiroki、EZUMI Naomichi、SUGIYAMA Tsukasa、NOJIRI Kunpei、KONDO Ayane、HIRATA Mafumi、KOHAGURA Junko、YOSHIKAWA Masayuki、NAKASHIMA Yousuke、HWANGBO Dogyun、SAKAMOTO Mizuki、PERILLO Renato、KUWABARA Tatsuya、TANAKA Hirohiko、OHNO Noriyasu、SAWADA Keiji、TONEGAWA Akira、MASUZAKI Suguru
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2402041-2402041
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402041
  • NAID: 130008028416
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-03-19
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] イオン源プラズマの原子・分子過程 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田崇統，澤田圭司
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Res 巻: 97 ページ: 572-576
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Ro-vibrational population distribution in the ground state of hydrogen isotopologues in LHD peripheral plasmas deduced from emission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Ishihara , Arseniy Kuzmin, Masahiro Kobayashi, Taiichi Shikama, Keiji Sawada , Seiki Saito , Hiroaki Nakamura, Keisuke Fujii , Masahiro Hasuo, the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 巻: 267 ページ: 107592-107592
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107592
  • NAID: 120007184719
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neutral transport code for rovibrational population calculation of molecular hydrogen in large helical device plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiji Sawada, Hiroaki Nakamura, Seiki Saito, Gakushi Kawamura, Masahiro Kobayashi, Kenta Haga, Ryusei Migita, Takumi Sawada, Masahiro Hasuo
  • 雑誌名: Contrib. Plasm. Phys. 巻: － 号: 5-6
  • DOI: 10.1002/ctpp.201900153
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation Model of Hydrogen Recycling on Carbon Divertor for Neutral Transport Analysis in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Saito, H. Nakamura, K. Sawada, G. Kawamura, M. Kobayashi, M. Hasuo
  • 雑誌名: Contrib. Plasm. Phys. 巻: － 号: 5-6
  • DOI: 10.1002/ctpp.201900152
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reaction processes of molecular activated recombination leading to detachment of divertor simulation plasma in GAMMA 10/PDX (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Terakado, M. Sakamoto, N. Ezumi, K. Nojiri, T. Mikami, Y. Kinoshita, S. Togo, T. Iijima, K. Sawada, S. Kado, Y. Nakashima
  • 雑誌名: NUCLEAR MATERIALS AND ENERGY 巻: 20 ページ: 100679-100679
  • DOI: 10.1016/j.nme.2019.100679
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 中性粒子輸送コードとの統合をめざした1次元PICコードの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関谷光之, 小山晟矢, 澤田圭司, 大野哲靖, 中村浩章, 齋藤誠紀, 河村学思
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 分子の振動・回転状態を区別した水素および重水素の中性粒子輸送コードの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 土居健志, 西分久弘, 佐藤優作, 上田朝陽, 澤田圭司, 河村学思, 齋藤誠紀, 中村浩章, 星野一生
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] NAGDIS-IIヘリウムプラズマおよび水素プラズマ統合コードのための中性粒子輸送コードの整備 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増田翔太, 澤田圭司, 梅澤英弥, 中山 爽, 土居健志, 夏目祥揮, 杉浦健斗, 大野哲靖, 田中宏彦, 林 祐貴
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] ガス圧計測と分光計測で得られた基底・準安定ヘリウム原子密度の中性粒子輸送コードによる再現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西分久弘, 佐藤優作, 上田朝陽, 土居健志, 増田翔太, 澤田圭司
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 多流体水素輸送コードを用いた非接触プラズマの背景中性粒子依存性の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉浦健斗, 夏目祥揮, 井戸太一, 増田翔太, 田中宏彦, 澤田圭司, 大野哲靖, 星野一生
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Rovibrationally resolved collisional-radiative model and neutral transport code of molecular hydrogen (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiji Sawada
  • 学会等名: International Mini-Workshop on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Rovibrationally Resolved Collisional-Radiative Model and Neutral Transport Code of Molecular Hydrogen (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiji Sawada
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 水素分子の振動・回転状態を区別した中性粒子輸送コードを用いた信州大学RFプラズマの水素原子・分子発光スペクト ルの計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 土居健志, 西分久弘, 澤田圭司, 斉藤好汰, 野端伸匡
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 流体コードLINDAとの統合をめざしたNAGDIS-IIヘリウムプラズマおよび水素プラズマの中性粒子輸送コードの整備 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増田翔太, 澤田圭司, 本郷棟太, 土居健志, 関谷光之, 夏目祥揮, 井戸太一, 田中宏彦, 野哲靖, 林 祐貴
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 流体コードLINDAの多流体化と直線型水素プラズマのモデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 井戸太一, 夏目祥揮, 田中宏彦, 大野哲靖, 澤田圭司, 増田翔太, 梶田信, 畑山明聖, 星野一生
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] GAMMA 10/PDXにおけるV字ターゲット角度によるダイバータ模擬プラズマへの影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉山吏作, 江角直道，蒲生宙樹，近藤綾音，重松直希，瀬戸拓実，平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔， 皇甫度均，東郷訓，坂本瑞樹，桑原竜弥，田中宏彦，大野哲靖，澤田圭司，利根川昭，増崎貴，河村学思
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] GAMMA 10/PDXダイバータ模擬実験における水素ガスと窒素及びネオンガスとの重畳入射が非接触プラズマ形成へ 及ぼす影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 蒲生宙樹, 江角直道, 杉山吏作, 近藤綾音, 重松直希, 瀬戸拓実, 東郷訓, 平田真史, 小波蔵純子, 吉川正志, 皇甫度均, 中嶋洋輔, 坂本瑞樹, R. Perillo, 桑原竜弥, 田中宏彦, 大野哲靖, 澤田圭司, 利根川昭, 増崎貴
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] GAMMA10/PDX ダイバータ模擬プラズマの V 字ターゲット角度及び追加ガス入射位置による変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉山吏作，江角直道，蒲生宙樹，野尻訓平，近藤綾音， 平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔，皇甫度均，坂本瑞樹，H.Y. Guo，桑原竜弥，田中宏彦，大野哲靖， 澤田圭司，利根川昭，増崎貴，河村学思
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] ダイバータ模擬実験における非接触プラズマ形成への水素 - 窒素の混合比の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 蒲生宙樹，江角直道，杉山吏作，野尻訓平，近藤綾音，平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔，皇甫度均， 坂本瑞樹，R.Perillo，桑原竜弥，田中宏彦，大野哲靖，澤田圭司，利根川昭，増崎貴
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] NAGDIS-II ヘリウムプラズマ統合コード構築をめざした中性粒子輸送コードの整備 (2020)
  • 著者名/発表者名: 増田翔太，右田龍星，澤田圭司，羽下健太，夏目祥揮，井戸太一，田中宏彦，大野哲靖
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] 水素分子の振動・回転状態をLHD 中性粒子輸送コードを用いた水素原子・分子の発光スペクトルの計算 (2020)
  • 著者名/発表者名: 羽下健太，土居健志，澤田圭司，河村学思，小林政弘，Arseniy A. KUZMIN，蓮尾昌裕，斎藤誠紀，中村浩章
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] ダイバータプラズマの一次元シミュレーションのための PICコードと中性粒子輸送コードの統合コードの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 右田龍星，関谷光之，澤田圭司，河村学思，齋藤誠紀，中村浩章
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] LINDA コードを用いた水素原子・分子イオンが共存する非接触プラズマモデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 井戸太一，田中宏彦，大野哲靖，夏目祥揮，梶田信，澤田圭司，右田龍星，羽下健太，畑山明聖，星野一生
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] タイングステン壁における水素リサイクリングの分子動力学シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤誠紀，中村浩章，澤田圭司，小林政弘，河村学思，蓮尾昌裕，井戸毅
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] 原型炉級ダイバータ模擬実験に向けた TPD 型定常高密度プラズマ源の開発状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 江角直道，林祐貴，高木誠，大野哲靖，近藤綾音，利根川昭，澤田圭司，門信一郎，難波慎一，西島大輔，桑原竜弥，杉山吏作，蒲生宙樹，野尻訓平，坂本瑞樹，吉川正志，小波蔵純子，中嶋洋輔，田村直樹，浜地志憲，矢嶋美幸，増崎貴
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] 炭素材・タングステン材への水素同位体入射の分子動力学シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 澤田拓弥, 中村浩章, 齋藤誠紀, 澤田圭司, 河村学思, 小林政弘, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] Neutral-Transport Code for Rovibrational Population Calculation of Molecular Hydrogen in LHD Plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sawada, H. Nakamura, S. Saito, M. Kobayashi, G. Kawamura, K. Haga, M. Hasuo
  • 学会等名: 17th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation for Hydrogen Recycling on Carbon Divertor (2019)
  • 著者名/発表者名: Seiki Saito, Hiroaki Nakamura, Keiji Sawada, Masahiro Kobayashi, Gakushi Kawamura, Masahiro Hasuo
  • 学会等名: 17th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Model of hydrogen recycling on divertor by molecular dynamics simulation for neutral transport analysis in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: Seiki SAITO, Hiroaki NAKAMURA, Takumi SAWADA, Keiji SAWADA, Masahiro KOBAYASHI, Gakushi KAWAMURA, Masahiro HASUO
  • 学会等名: The 28th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] アモルファス炭素壁への水素入射の分子動力学シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤田拓弥, 中村浩章, 齋藤誠紀, 澤田圭司, 土生 柊
  • 学会等名: 日本応用数理学会 2019年度年会
• [学会発表] 分子動力学法による炭素壁水素リサイクリングモデルの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 齋藤誠紀, 中村浩章, 澤田圭司, 小林政弘, 河村学思, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 一次元ダイバータプラズマのシミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 右田龍星, 澤田圭司, 羽下健太, 渡辺宙夢
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 水素分子の振動・回転状態を区別したLHD中性粒子輸送コードの構築 (2019)
  • 著者名/発表者名: 羽下健太, 澤田圭司, 右田龍星, 中村浩章, 斎藤誠紀, 河村学思, 小林政弘, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Fulcher-α帯スペクトル計測によるLHD周辺プラズマ中基底水素分子の振動・回転状態密度分布評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原啓基, Arseniy Kuzmin, 小林政弘, 澤田圭司, 四竃泰一, 蓮尾昌裕, 斎藤誠紀, 中村浩章, 門信一郎
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 水素分子の振動・回転状態を考慮した衝突輻射モデルおよび中性粒子輸送コードの構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤田圭司，右田龍星，羽下健太，中村浩章，斎藤誠紀
  • 学会等名: プラズマ核融合学会年会
• [学会発表] 水素・重水素混合RFプラズマにおけるHD分子発光線計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 百島弘基，岩田篤司，白須裕大，新村俊喜，宮埼俊輔，澤田圭司
  • 学会等名: プラズマ核融合学会年会
• [学会発表] 水素RFプラズマの分子発光線計測と衝突輻射モデル・中性粒子輸送コードによる解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渥美翔太，中山海峰，長瀬英樹，勝股峻也，澤田圭司，江角直道
  • 学会等名: プラズマ核融合学会年会