核融合周辺プラズマの運動論的モデリングとデタッチメントプラズマの動的特性の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H04232
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 畑山 明聖 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10245607)
• 研究分担者: 宮本 賢治 鳴門教育大学, 大学院学校教育研究科, 准教授 (00532996) ; 林 伸彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, グループリーダー(定常) (10354573) ; 星野 一生 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 主幹研究員(定常) (50513222) ; 深野 あづさ 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 教授 (90259838)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: プラズマ物理 / 核融合周辺プラズマ / ダイバータ / 中性粒子 / シミュレーション

研究実績の概要

本研究では、核融合周辺プラズマを対象として、新しい運動論的数値シミュレーションモデルの構築を目的とする。とくに、ELM（Edge Localized Mode）の際の熱パルスに対するデタッチメントプラズマの動的応答解析が可能となる新しい数値シミュレーションモデルの構築を目指す。その特徴は、①水素イオン、電子の運動量・エネルギー緩和過程の理解に加えて、②非平衡・非定常プラズマ中における水素原子・分子の衝突・輻射および輸送過程の理解、③不純物をも考慮した核融合周辺プラズマの統合数値シミュレーションモデルの構築を目指す点にある。
以上の目的を踏まえ、本研究では１）プラズマ輸送モデル、２）中性粒子輸送モデル、３）不純物輸送モデルの高度化を研究期間を通して行ってきた。また、計算結果を、筑波大学の核融合実験装置GAMMA10およびCERN Linac4などの水素負イオン源装置における実験と比較することにより、その妥当性検証を行ってきた。
特に、今年度は、上記１）、２）の高度化を基盤として開発した0次元統合モデルを用いて、デタッチ状態の詳細な解析、実験との比較を実施した。さらに、ELMを模擬した熱パルスを加え、非定常計算を開始することに成功した。今後、１次元運動論的粒子モデル（PIC）と中性粒子モデルによるELM動的応答解析の基盤としてきわめて有用と考えられる。一方、上記、３）については、我々が開発してきたIMPGYROコードをGAMMA10実験に適用し、モデル妥当性の検証を進めた。また、国際熱核融合実験炉（ITER）実体系に適用し、その運転予測に寄与した。さらに、不純物輸送に重要な摩擦力、熱力を、背景水素イオンのエネルギー分布の非平衡性を考慮した上でIMPGYROコードに実装した。これにより、はじめて核融合周辺プラズマ中の不純物に対する新古典輸送効果を運動論的に扱うことが可能となった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] IPP(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: IPP
• [国際共同研究] CERN(EU)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: CERN
• [国際共同研究] ITER(EU)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: ITER
• [雑誌論文] An extended kinetic model for the thermal force on impurity particles in relatively lower collisional plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Homma, K. Hoshino, S. Tokunaga, S. Yamoto, A. Hatayama, K. Shimizu, N. Asakura, Y. Sakamoto, K. Tobita, Joint Special Design Team for Fusion DEMO
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a Lagrange-Monte-Carlo Scheme for Fluid Modeling of SOL/Divertor Plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Tatsumi , A.Runov , R. Schneider , and A. Hatayama
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical Simulation Study towards Plasma Detachment in the End-Cell of GAMMA 10/PDX by a Coupled Fluid-Neutral Code (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Islam, K.Abe, R. Tatsumi, T. Iijima, A. Hatayama, Y. Nakashima
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of the plasma blob formation/transport and its effects on impurity transport in the scrape-off layer regions (2018)
  • 著者名/発表者名: T.Maeda, K.Tominaga,S.Yamoto, A.Hatayama,H.Hasegawa, S.Ishiguro
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
  • DOI: 10.1002/ctpp.201700126
  • 査読あり
• [雑誌論文] Present Status of Numerical Modeling of Hydrogen Negative Ion Source Plasmas and Its Comparison with Experiments - Japanese activities and their collaboration with experimental groups - (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hatayama, S. Nishioka, S. Mattei,K.Nishida,J.Lettry,K.Miyamoto, T.Shibata, M.Onai, S.Fujita, S. Abe,S.Yamada,A.Fukano
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Coulomb collision between surface produced H- ions and H+ ions on H- extraction mechanism and beam optics in a Cs-seeded H- ion source by 3D particle in cell model (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Nishioka ,S.Abe,K.Miyamoto,A.Fukano ,A.Hatayama
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 ページ: 063302～063302
  • DOI: 10.1063/1.5004074
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical analysis of effects of ion-neutral collision processes on RF ICP discharge (2018)
  • 著者名/発表者名: K.Nishida,S.Mattei,J.Lettry ,A.Hatayama
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 ページ: 043305～043305
  • DOI: 10.1063/1.5002169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Predictive modelling of JT-60SA high-beta steady-state plasma with impurity accumulation (2018)
  • 著者名/発表者名: N.Hayashi ,K.Hoshino,M.Honda ,S.Ide
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 066001～066001
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aab7bd
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-impurity divertor simulation using a Monte-Carlo kinetic (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Hoshino, Y. Homma, S. Tokunaga, K. Shimizu
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: ー
• [雑誌論文] Effects of Hydrogen Negative Ions on Plasma with Magnetic (2018)
  • 著者名/発表者名: A.FUKANO, R. TATSUMI and A. HATAYAMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 印刷中 ページ: ー
• [雑誌論文] Kinetic modeling of high-Z tungsten impurity transport in ITER plasmas using the IMPGYRO code in the trace impurity limit (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Yamoto,X.Bonnin, Y.Homma,H.Inoue, K.Hoshino,A.Hatayama, R.A.Pitts
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 116051～116051
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa7fa6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical simulation of detached plasma in the end-cell of GAMMA 10/PDX for divertor simulation study (2017)
  • 著者名/発表者名: M.S.Islam, Y.Nakashima,A.Hatayama, K.Ichimura,M.M.Islam,K.Fukui, M.Ohuchi, T.okodo,G.Lee,S.Togo, N.Ezumi,M.Sakamoto, T.Imai
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 125 ページ: 216～221
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.05.132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of plasma behavior during noble gas injection in the end-cell of GAMMA 10/PDX by using the multi-fluid code ‘LINDA’ (2017)
  • 著者名/発表者名: M. S.Islam,.Y.Nakashima ,A.Hatayama
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 59 ページ: 125010～125010
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa8d02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent progress of divertor simulation research using the GAMMA 10/PDX tandem mirror (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakashima ,K.Ichimura ,M.S.Islam,M.Sakamoto ,N.Ezumi ,M.Hirata,M.Ichimura,R.Ikezoe,T. Imai ,T.Kariya,I.Katanuma ,J.Kohagura,R.Minami ,T.Numakura ,M.Yoshikawa ,T.Iijima M.M.Islam ,K.Nojiri,K.Shimizu ,A.Terakado,S.Togo ,N.Asakura ,M.Fukumoto,A.Hatayama.et.al
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 116033～116033
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa7cb4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical analysis of tungsten erosion and deposition processes under a DEMO divertor plasma and geometry (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Homma ,K.Hoshino,S.Yamoto ,N.Asakura S.Tokunaga ,A.Hatayama,Y.Sakamoto,R.Hiwatari ,K.Tobita ,DEMO Joint Special Design Team for Fusion
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 12 ページ: 323～328
  • DOI: 10.1016/j.nme.2017.05.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] A fully-implicit Particle-In-Cell Monte Carlo Collision code for the simulation of inductively coupled plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Mattei ,K.Nishida ,M.Onai ,J.Lettry,M.Q.Tran,A.Hatayama
  • 雑誌名: Journal of Computational Physics 巻: 350 ページ: 891～906
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2017.09.015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transport modelling of JT-60U and JET plasmas with internal transport barriers towards prediction of JT-60SA high-beta steady-state scenario (2017)
  • 著者名/発表者名: N.Hayashi ,J.Garcia,M.Honda ,E.Narita ,S.Ide ,G.Giruzzi ,Y.Sakamoto ,the JT-60U Team、the JET Contributors、the JT-60SA Team
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 126037～126037
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa88de
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physics design study of the divertor power handling in 8 m class DEMO reactor (2017)
  • 著者名/発表者名: K.Hoshino,N.Asakura ,S.Tokunaga ,Y.Homma,K.Shimizu,Y.Sakamoto ,K.Tobita
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 124 ページ: 352～355
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.03.068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Progress of Divertor Study on DEMO Design (2017)
  • 著者名/発表者名: K.Hoshino,N. Asakura,S. Tokunaga, K.Shimizu, Y. Homma, Y.Someya, H.Utoh, Y. Sakamoto,K. Tobita
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 ページ: 1-10
  • 査読あり
• [学会発表] プラズマ境界層のバーサタイルモデリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 畑山明聖
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] Development of a Lagrange-Monte-Carlo Scheme for Fluid Modeling of SOL/Divertor Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Tatsumi , A.Runov , R. Schneider , and A. Hatayama
  • 学会等名: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling of plasma and its wall interaction for long term tokamak operation (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Okamoto, R. Tatsumi, K. Abe, A. Hatayama and K. Hanada
  • 学会等名: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of the Plasma Blob Formation/Transport and Its Effects on Impurity Transport in the SOL Regions (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Maeda, K. Tominaga, S. Yamoto, A. Hatayama, H. Hasegawa,S. Ishiguro
  • 学会等名: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] An extended kinetic model for the thermal force on impurity particles in relatively lower collisional plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Homma, K. Hoshino, S. Tokunaga, S. Yamoto, A. Hatayama, K. Shimizu, N. Asakura, Y. Sakamoto, K. Tobita, Joint Special Design Team for Fusion DEMO
  • 学会等名: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Analysis of a pure-convective problem in SOL/Divertor Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Tatsumi , A.Runov , R. Schneider , and A. Hatayama
  • 学会等名: 26th International Toki Conference and 11th Asia Plasma&Fusion Association Conference
  • 国際学会
• [学会発表] プラズマ容器内での中性粒子挙動解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 畑山明聖
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] ラグランジュ―モンテカルロ法を用いたデタッチメント状態解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Tatsumi , A.Runov , R. Schneider , and A. Hatayama
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 直線型核融合装置GAMMA10 /PDXプラズマ中におけるAr不純物輸送解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武智 さゆり、巽 瞭子、イスラム シャヒヌル、矢本 昌平、畑山 明聖、中嶋 洋輔
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Plasma Blob発生と輸送及びSOL領域の不純物輸送に与える影響の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 前田智行、富永健太、矢本昌平、畑山明聖、長谷川裕記、石黒静児
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Numerical Analysis of Ion Dynamics in RF ICP Discharge (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, S. Mattei, W. Kobayashi, J. Lettry and A. Hatayama
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Integrated Modeling of the Beam Formation and Extraction in the Linac4 Hydrogen Nniegative Ion Source (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Nishioka, S. Abe, S. Mattei, J. B. Lallement, T. Kalvas, A. Hatayama, and J. Letrry
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of H- Extraction in the Linac4 Negative Ion Source by 2.5D Particle Simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Abe, S. Nishioka, S. Mattei, K. Miyamoto, A. Hatayama, and J. Lettry
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] The Effect of Transport and Extraction of Non-Uniform Surface Produced H- in Large Multi-Aperture Negative Ion Sources (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Fujita, T. Yamamoto, M. Yoshida, M. Onai, A. Kojima, A. Hatayama
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the Plasma Impedance Prediction Model in Radio Frequency Negative Ion Sources (2017)
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi, K. Nishida, S. Mattei, J. Lettry and A. Hatayama
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Simulation of the EEDF and the Neutral Transport in the DC Arc-Discharge Hydrogen Negative Ion Source for Medical Use (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Yamada, H. Etoh, Y. Aoki, M. Yaguchi, and A. Hatayama
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the Plasma Impedance Prediction Model in Radio Frequency Negative Ion Sources (2017)
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi, K. Nishida, S. Mattei, J. Lettry and A. Hatayama
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] アーク放電型医療用水素負イオン源を対象としたH-表面生成量の数値シミュレー ション (2017)
  • 著者名/発表者名: 山田翔太、衞藤晴彦、青木康、畑山明聖
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Numerical analysis of negative hydrogen ion beam optics by using 3D3V PIC simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto, S. Nishioka, A. Hatayama, T. Mizuno, J. Hiratsuka, and M.Kashiwagi
  • 学会等名: 17th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-impurity divertor simulation using a Monte-Carlo kinetic (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Hoshino, Y. Homma, S. Tokunaga, K. Shimizu
  • 学会等名: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion
  • 国際学会
• [学会発表] SONICコードによる多種不純物ダイバータシミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 星野一生、本間裕貴、徳永晋介
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Effects of Hydrogen Negative Ions on Plasma with Magnetic Field Decreasing toward a Wall (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Fukano, R. Tatsumi, A. Hatayama
  • 学会等名: The 26th International Toki Conference (ITC-26) & The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference(APFA-11)
  • 国際学会