核反応プラズマ計測のためのレーザー応用プラズマ計測法の開発

1996 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 06044170
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 村岡 克紀 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (80038546)
• 研究分担者: HORTON L. JET協同研究機構, 実験第II部門, 主任研究員 ; MORGAN P.D. JET協同研究機構, 実験第II部門, 主任研究員 ; SUMMERS D.D. JET協同研究機構, 実験第I部門, 主任研究員 ; GOWERS C. JET協同研究機構, 実験第I部門, 主任研究員 ; NIELSEN P. JET協同研究機構, 実験第I部門, 研究員 ; 田中 謙二 核融合科学研究所, 助手 (50260047) ; 御手洗 修 九州東海大学, 工学部, 教授 (00181925) ; ダグラス ボーデン マー 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (10260720) ; 内野 喜一郎 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (10160285) ; STOTT P.E. JET協同研究機構, 実験第I部門, 部門長 ; BOWDEN M Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University, Re
• 研究期間 (年度): 1994 – 1996
• キーワード: 核反応プラズマ / レーザー / 計測 / トムソン散乱 / ライダー / 協同トムソン散乱 / イオン温度 / アルファ粒子密度

研究概要

核融合研究はすでに臨界プラズマ条件の達成に成功し、これからの本格的なDT燃焼を目指した具体的な準備作業に入っている。そこではトリチウム取扱いおよび中性子による放射化対策が最重要課題であり、そのためのリモートハンドリング等の実用化が図られている。そのうちでプラズマ計測に関しては、できるだけ小さな観測ポートを通じて、しかし実験段階であるから物理過程を把握するためできるだけ多量のデータを収集することが求められている。
本研究は、代表者らが進めてきたレーザー応用プラズマ計測法を、核反応プラズマ研究が行われる段階に達したヨーロッパ連合の大型装置JETに適用しその有効性を験そうとするもので、内容的に二つに大別される。また本研究の遂行過程で進められた発展として、核燃焼プラズマの計測一般に関する寄与が挙げられる。以下、それぞれについて得られた内容とともに列挙する。
(1)LIDARトムソン散乱
トムソン散乱には、通常レーザー入出射ポートとその軸と大きな角度をなす方向に設置する観測ポートが必要である。しかしその配置はブランケットや超伝導マグネットに囲まれた核反応プラズマ装置では不可能である。そこで、レーザー入出射を一つの孔で実行できるLIDAR法が注目され、代表者のグループはその実験が行われてきた唯一の装置であるJETと10数年来密接な協力研究を行ってきた。
LIDARトムソン散乱に関する研究は二種に分かれる。一つはコア部のプラズマを計測するシステムの高度化と、他はダイバータ部のシステムの稼働である。前者の研究は順調に推移し、現在では時間分解能2Hz、空間分解能90mmのシステムがルーチンにデータを供給している。また、九州大学が主開発を担ったストリークカメラを用いる空間分解能向上策も成功し、それによる空間分解能は50mmとなっている。これを用いて、たとえばペレット入射時の急峻な電子密度こう配も詳細に追跡できるようになっている。
他方後者は軸合せが予想以上に困難であった。3年間の共同研究期間中に2つの全く異なるレーザー入射系を試し、可能なあらゆる手だてを尽したが、まだ信号検出に成功していない。軸合せ方策を今後も検討して、本研究終了後も実質的な協力を継続していきたい。
(2)協同トムソン散乱
協同トムソン散乱について、平成7年度におけるイオンからの散乱のファーストデータを基に、改良の方向を検討した。また、その際のSN比を基にしてα粒子のエネルギー分布、密度を測定するためのSN比の検討を行った。
この項目に関して特筆すべきことは、本研究を糸口にして日米欧の協同トムソン散乱検討プロジェクトチームを発足させたことである。平成8年12月に関係者が5人集まり協議した。その結果、原研のトカマク型装置JT-60Uでの実験を平成10年度から実施する方向で準備に入ることとなった。
(3)核燃焼プラズマの計測一般
本研究を遂行する過程で信頼が築かれたJET共同研究機構のP.E.Stott博士、および同氏を知じて知己となった米国プリンストン大学プラズマ物理研究所K.Young博士らと、次期核燃焼実験装置ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)の計測専門家会議(Expert Group of ITER Plasma Diagnostics)委員を委嘱され、活動を開始した。年2回の会合でITERプラズマ計測全般について検討し、あるべき姿を詰めている。また、1995年には第1回の国際会議をイタリアのVarennaで開催し、また1997年の9月には第2回を開くべく計画を詰めている。
ここでは、本研究による成果が大いに生かされてきた。また計測の必要性からのITERの運転シナリオについての研究が実って、いくつかの研究成果として公表している。

研究成果

• [文献書誌] 御手洗 修,村岡克紀: "D-T実験における協同トムソン散乱アルファ粒子計測" プラズマ・核融合学会誌. 72・7. 606-620 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Mitarai,K.Muraoka: "Ignition Analyses for Brun Control and Diagnostics Developments in ITER" Nuclear Fusion. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 村岡克紀,前田三男: "プラズマと気体のレーザー応用計測" 産業図書(株), 289 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Muraoka,K.Uchino,T.Kajiwara,S.Kuroda,T.Okada,M.Maeda: "Laser Induced Fluorescence" Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, 10 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Uchino,S.Kuroda,T.Kajiwara,K.Muraoka,T.Okada,M.Maeda: "Laser Diagnostics of Hydrogen and Helium Atoms in a Divertor Region" Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, 4 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Mitarai, K.Muraoka: "Alpfa Particle Diagnostics Using Collective Thomson Scattering in D-T Experiments" Journal of Plasma and Fusion Research. 72. 606-620 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Mitarai, K.Muraoka: "Ignition Analyzes for Burn Control and Diagnostics Developments in ITER" Nuclear Fusion. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Katsunori Muraoka and Mitsuo Maeda: Sangyo-Tosho Ltd. Laser-aided Diagnostics of Plasmas and Gases, 1-289 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Muraoka, K.Uchino, T.Kajiwara, S.Kuroda, T.Okada, M.Maeda: Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors. Laser Induced Fluorescence, 331-340 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Uchino, S.Kuroda, T.Kajiwara, K.Muraoka, T.Okada, M.Maeda: Diagnostics for Expermental Thermonuclear Fusion Reactors. Laser Diagnostics of Hydrogen and Helium Atoms in a Divertor Region, 595-598 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より