高密度プラズモイドの空間内部測定による固体水素溶発素過程の研究

• 研究課題/領域番号: 19K03803
• 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: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 本島 厳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 固体水素 / 溶発 / 高速分光 / ファイバアレイ / 高速度カメラ / シュタルク拡がり / シュタルク広がり / 分光

研究開始時の研究の概要

高速分光計測を用いて、磁場構造、背景プラズマ、プラズマ加熱条件が高密度プラズモイドの内部分布に与える影響について定量的に調べることが本研究の目的である。高密度プラズモイドとは固体水素が溶発した際にできるプラズマ塊である。イオン化されているため、磁場との相互作用を受けて複雑な挙動を示す。また、固体水素は一般的に背景プラズマからの熱流速によって溶発するが、加熱の際に生じる高速イオン、電子によっても溶発は影響を受ける。このため、上記の影響因子が高密度プラズモイドの内部分布および溶発量（溶発過程）にどのように影響を与えるのかを明らかにする。

研究成果の概要

本研究では、二次元ファイバアレイと高速度カメラを組み合わせて、核融合燃料である固体水素が溶発する際に生じる低電離高密度プラズモイド（ペレットが溶発した結果として生じるプラズマ塊）の電子密度の二次元空間分布を京都大学のヘリオトロンJ装置で世界で初めて測定した。固体水素の溶発機構理解のため、高速度カメラや分光機器を用いた実験プラットフォームを構築できたことになる。この結果は、ペレット溶発の基本メカニズムの理解を深めるだけでなく、溶発シミュレーションとの比較において貴重な情報となる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

核融合プラズマへの燃料供給法として固体水素入射の確立は重要な課題である。本研究の成果は、固体水素の溶発素過程の理解に大きく貢献するものであり、核融合プラズマの高密度化と燃料供給の最適化に貢献できるものである。

研究成果

• [国際共同研究] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [国際共同研究] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [国際共同研究] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [雑誌論文] Measurement of <b>Pa</b>_<i>α</i> line from pellet ablation cloud in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: Iwata A.、Kado S.、Murakumo M.、Shikama T.、Motojima G.、Mori A.、Feng C.、Okada H.、Minami T.、Ohshima S.、Kobayashi S.、Ishizawa A.、Nakamura Y.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 11 ページ: 113537-113537
  • DOI: 10.1063/5.0101885
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensional dynamics of fluctuations appearing during pellet ablation process around a pellet in a fusion plasma experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohshima S.、Suzuki T.、Matoike R.、Motojima G.、Kado S.、Mori A.、Miyashita A.、Kobayashi S.、Minami T.、Iwata A.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Zhang P.、Kondo Y.、Nishino N.、Mizuuchi T.、Okada H.、Konoshima S.、Inagaki S.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 14204-14204
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18239-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-density experiments with hydrogen ice pellet injection and analysis of pellet penetration depth in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: Gen Motojima, Hiroyuki Okada, Hisashi Okazaki, S Kobayashi, Kazunobu Nagasaki, Ryuichi Sakamoto, Hiroshi Yamada, Shinichiro Kado, Shinsuke Ohshima, T Minami, Naoki Kenmochi, Yoshiaki Ohtani, Yuuki Nozaki, Yuma Yonemura, Yuji Nakamura, Shigeru Konoshima, Satoshi Yamamoto, Tohru Mizuuchi and Kiyomasa Watanabe
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 印刷中 号: 7 ページ: 075014-075014
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab1d40
  • 査読あり
• [学会発表] パッシェンα線のゼーマン効果を用いたへリオトロン J 中水素ペレット溶発雲の位置計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村雲南斗, 四竈泰一, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, 茶谷智樹, 森敦樹, 岩田晃拓, 本島厳, 南貴司, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 西野信博, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 日本物理学会2023春季大会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおけるパッシェン系列を用いた小型水素ペレット溶発プラズモイドの電子温度推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩田晃拓, 門信一郎, 本島厳, 四竈泰一, 村雲南斗, 森敦樹, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 稲垣滋, 金史良, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • 学会等名: 日本物理学会2023春季大会
• [学会発表] Spatio-temporal structure of pellet-plasmoid in high-temperature plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: G. Motojima, S. Kado, S. Ohshima, A. Mori, T. Suzuki, N. Panadero, K. J. McCarthy, M. Goto, R. Sakamoto, K. Nagasaki
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 9-14 Oct, 2022, Remote e-conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent Development of Near-infrared Spectrometry in the Application to Fusion-relevant Magnetic Confinement Plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kado, A. Iwata, T. Shikama, Y. Iida, G. Motojima and Heliotron J team
  • 学会等名: 20TH INTERNATIONAL CONGRESS ON PLASMA PHYSICS, November 27-December 2, 2022 GYEONGJU, KOREA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of Paα Line from Pellet Ablation Cloud in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Iwata, S. Kado, M. Murakumo, T. Shikama, G. Motojima, A. Mori, C. Feng, H. Okada, T. Minami;, S. Ohshima, S. Kobayashi, A. Ishizawa, Y. Nakamura, S. Konoshima, T. Mizuuchi, K. Nagasaki
  • 学会等名: High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD), New York, on May 15-19, 2022
  • 国際学会
• [学会発表] へリオトロンJ中水素ペレット溶発プラズマのパッシェンα線ゼーマン効果計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村雲南斗, 四竈泰一, 茶谷智樹, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, 森敦樹, 岩田晃拓, 本島厳, 南貴司, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 西野信博, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 物理学会2022秋季大会
• [学会発表] 小型ペレット溶発雲におけるシュタルク広がり計測への装置関数の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩田晃拓, 門信一郎, 本島厳, 四竈泰一, 村雲南斗, 森敦樹, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 稲垣滋, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • 学会等名: 日本物理学会2022秋季大会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおける2次元高速分光計測器を用いた水素ペレット溶発雲の計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森敦樹, 門信一郎, 本島厳, 岩田晃拓, 岡野竜成, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長崎百伸
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会
• [学会発表] ペレット溶発過程に観測されたフィラメント状揺動の特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木琢土, 大島慎介, 森敦樹, 的池遼太, 宮下顕, 本島厳, 門信一郎, 南貴司, 小林進二, 長﨑百伸, 西野信博, 水内亨, 岡田浩之, 木島滋
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおけるペレット溶発雲の2次元計測のための変倍分光器の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森敦樹, 門信一郎, 本島厳, 岩田晃拓, 岡野竜成, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長崎百伸
  • 学会等名: 第３７回プラズマ・核融合学会
• [学会発表] ヘリオトロンJの固体水素ペレット入射実験における真空紫外スペクトルの時間発展計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡野竜成, 門信一郎, 岩田晃拓, 森敦樹, 馮超, 岡田浩之, 南貴司, 大島慎介, 小林進二, 本島厳, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • 学会等名: 第３７回プラズマ・核融合学会
• [学会発表] ヘリオトロンＪペレット入射プラズマの分光診断 (2020)
  • 著者名/発表者名: 門信一郎, 清水佑馬, 本島厳, 岡野竜成, 岩田晃拓, 岡田浩之, 南貴司, 小林進二, 大島慎介, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおける固体水素ペレット溶発プラズモイド由来のシュタルク広がりを持つスペクトルの測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水佑馬, 門信一郎，本島厳，岡田浩之，南貴司，大島慎介，小林進二， 中村祐司，石澤明宏，木島滋，水内亨，長崎百伸，岩田晃拓，岡野竜成， 森敦樹
  • 学会等名: 第３６回プラズマ・核融合学会
• [備考] 核融合プラズマへの燃料供給ペレット周辺の極限状況下に現れる“揺らぎ”構造の発見
  • URL: https://www.nifs.ac.jp/news/collabo/220930.html
• [備考] 核融合プラズマへの燃料供給ペレット周辺の極限状況下に現れる“揺らぎ”構造の発見
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/sites/default/files/2022-09/220930_ohshima-d9cbe67cc245ecd478c4bce8597cb588.pdf