抵抗性磁場ガイドによる高速点火レーザー核融合の爆縮コア高効率加熱法の確立

• 研究課題/領域番号: 20H01886
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 城崎 知至 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10397680)
• 研究分担者: 長友 英夫 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10283813) ; 藤岡 慎介 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2022年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2021年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2020年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
• キーワード: 高速点火レーザー核融合 / レーザー加速電子ビーム / プラズマ / 抵抗性磁場 / コア加熱 / ビームガイド / 相対論電子ビーム / レーザー核融合 / 高速点火方式 / 抵抗性磁場ガイド / 高速点火

研究開始時の研究の概要

高密度圧縮した燃料コアプラズマを相対論的高エネルギー電子ビーム（REB）で点火温度まで加熱する高速点火方式レーザー核融合の最大の課題は、大きな発散角を持つREBにより如何に高効率に燃料コアを加熱できるかにある。応募者らは外部印加磁場によるREBガイド方法で≧5％の加熱効率を実現した。この実績と経験を踏まえ、本課題では、将来の核融合炉に直接つながり、且つ既存の外部磁場ガイド法を上回る高効率ガイド法として、抵抗性磁場ガイド法（抵抗率の異なる物質境界に生じる磁場でREBをコアまでガイドする）をシミュレーションと実験により、確立する。

研究成果の概要

高速点レーザー核融合での高効率コア加熱には、レーザー加速電子ビームをその強度を高く保ったまま爆縮コアまで誘導する必要がある。本研究では、抵抗率の異なる物質境界に生じる抵抗性磁場による抵抗性磁場ガイド法に着目し、そのレーザー強度・パルス長依存性を数値計算により評価した。高速点火条件(強度1e10W/cm2・パルス長10 ps)では、ニッケルがガイド材として機能することがわかった。LFEX ペタワットレーザーよる基礎実験では、低強度でのシミュレーション結果と同様の結果が得られ、数値計算の妥当性が示された。これらの結果から、爆縮コア加熱効率の高効率化に対する抵抗性磁場ガイド法の有効性が示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、高速点火レーザー核融合の最大の課題である爆縮コア加熱効率の向上を図るための手法の確立を目的とし、比較的シンプルなターゲット構造で、レーザー加速電子ビームを爆縮コアまで誘導し、加熱の高効率化を可能とする手法の特性を明らかにした。この成果は、高速点火レーザー核融合の高効率化に貢献するもので、レーザー方式によるカーボンフリーな核融合炉の実現に貢献する点に社会的意義がある。また、本誘導法は高速点火レーザー核融合のみならず、レーザー加速電子による物質の高効率化を通して、レーザー高エネルギー密度科学全般に貢献でき、本分野の学術研究に大きな意義を持つ。

研究成果

• [国際共同研究] Purdue University(米国)
• [国際共同研究] Purdue University(米国)
• [雑誌論文] Effect of Kilo-Tesla Magnetic Fields on Ignition and Burn Dynamics in Fast Ignition Laser Fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: MATSUMURA Naoki、JOHZAKI Tomoyuki、KIM Wookyung、ENDO Takuma
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 18 号: 0 ページ: 2404061-2404061
  • DOI: 10.1585/pfr.18.2404061
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2023-08-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dependence of resistivity gradient guiding of laser-driven relativistic electron beams on laser intensity and duration (2022)
  • 著者名/発表者名: Johzaki T.、Yoshitake K.、Endo T.、Kim W.、Fujioka S.、Nagatomo H.、Morita H.、Takizawa R.、Takemura M.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 号: 11 ページ: 112707-112707
  • DOI: 10.1063/5.0101615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hot Electron and Ion Spectra in Axial and Transverse Laser Irradiation in the GXII-LFEX Direct Fast Ignition Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: OZAKI Tetsuo、ABE Yuki、ARIKAWA Yasunobu、OKIHARA Shinichirou、MIURA Eisuke、SUNAHARA Atsushi、ISHII Katsuhiro、HANAYAMA Ryohei、KOMEDA Osamu、SENTOKU Yasuhiko、IWAMOTO Akifumi、SAKAGAMI Hitoshi、JOHZAKI Tomoyuki、et al.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2404076-2404076
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2404076
  • NAID: 130008053133
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-06-07
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced relativistic electron beams intensity with self-generated resistive magnetic field (2020)
  • 著者名/発表者名: Li Huan、Sakata Shohei、Johzaki Tomoyuki、Tang Xiaobin、Matsuo Kazuki、Lee Seungho、Farley Law King Fai、Arikawa Yasunobu、Ochiai Yugo、Liu Chang、Nishibata Jo、Takizawa Ryunosuke、Morita Hiroki、Azechi Hiroshi、YasuhikoSentoku、Fujioka Shinsuke
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 36 ページ: 100773-100773
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100773
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Monte Carlo particle collision model for qualitative analysis of neutron energy spectra from anisotropic inertial confinement fusion (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Abe, T. Johzaki, A. Sunahara, Y. Arikawa, T. Ozaki, K. Ishii, R. Hanayama, S. Okihara, E. Miura, O. Komeda, S. Sakata, K. Matsuo, H. Morita, R. Takizawa, R. Mizutani, A. Iwamoto, H. Sakagami, Y. Sentoku, H. Shiraga, M. Nakai, S. Fujioka, Y. Mori, Y. Kitagawa
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 36 ページ: 100803-100803
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100803
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intensification of laser-produced relativistic electron beam using converging magnetic fields for ignition in fast ignition laser fusion (2020)
  • 著者名/発表者名: Johzaki Tomoyuki、Hino Masaya、Horio Mie、Takeda Shijuro、Kim Wookyung、Endo Takuma、Fujioka Shinsuke、Sentoku Yasuhiko、Nagatomo Hideo、Sunahara Atsushi
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 36 ページ: 100841-100841
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100841
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 高速点火レーザー核融合における燃焼率の爆縮燃料密度分布依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至、長友英夫、藤岡慎介
  • 学会等名: 日本物理学会 2023春季大会
• [学会発表] Potential of Kilo-Tesla-Class Magnetic Field to Control Ignition and Burn Characteristics in Fast Ignition Laser Fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki JOHZAKI, Naoki MATSUMURA, Yasuyuki KIMURA, Wookyung KIM, Takuma ENDO
  • 学会等名: International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 高速点火レーザー核融合における点火・燃焼特性の爆縮燃料状態依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至、長友英夫、藤岡慎介
  • 学会等名: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] 散乱制限を考慮した縮退電子によるα粒子阻止能 (2022)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至, 石田凌大, 遠藤琢磨, 金佑勁, 中尾安幸
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Effect of kilo-tesla magnetic field on ignition and burn dynamics in fast ignition laser fusion (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoki MATSUMURA, Tomoyuki JOHZAKI, Wookyug KIM, Takuma ENDO
  • 学会等名: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] 超高コントラストレーザーによる核融合プラズマの加熱 (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀧澤龍之介
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 抵抗性磁場ガイドによる爆縮コア加熱の高効率化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 中心点火レーザー核融合における磁場による電熱伝導抑制効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松村尚紀
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 抵抗性磁場ガイドによる爆縮コア加熱の高効率化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 高速点火用金コーン付ターゲットの多段パルスによる密度圧縮 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 磁場ガイド高速点火レーザー核融合の点火要件 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] レーザー核融合高速点火実験の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤岡慎介、長友英夫、城崎知至 他 (総著者数32名）
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 超高コントラスト加熱ビームを用いた核融合プラズマの加熱効率 (2021)
  • 著者名/発表者名: 瀧澤龍之介、長友英夫、城崎知至、藤岡慎介他 (総著者数19名）
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Experimental design for ion stopping power in dense plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Morace, S. Fujioka, T. Johzaki et al. (16 authors)
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 電子ビーム輸送効率向上のための抵抗性磁場ガイド法のレーザー強度・パルス長依存性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉武佳菜, 城崎知至, 遠藤琢磨, 金佑勁, 藤岡慎介
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] テーパー型の自己生成磁場を用いた電子ビームの集束に関する実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 嶽村真緒, 城崎知至, 藤岡慎介 他 (総著者数15名)
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [備考]
  • URL: https://www.rgdl.net/laserplasmasimulation
• [備考] Laser High Energy Density Physics simulation
  • URL: https://www.rgdl.net/laserplasmasimulation