高速点火レーザー核融合における高エネルギー粒子輸送の物理解明

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05368
• 研究機関: 公益財団法人レーザー技術総合研究所
• 研究代表者: 砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00370213)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 高速点火レーザー核融合 / 超高強度レーザー / 高速電子 / 高速イオン / 磁場 / 爆縮プラズマ / フォッカープランク方程式 / 速度分布関数

研究実績の概要

本研究は超高強度レーザーとプラズマとの相互作用、相互作用で発生する高速電子・高速イオンの爆縮プラズマ中の輸送及び加熱特性を調べることで、高速点火レーザー核融合における加熱効率向上の可能性を探り、高速点火レーザー核融合の成功と共に、高強度レーザーと物質の相互作用の物理解明、理解の深化に寄与することを目的とする。特に、超高強度レーザーの爆縮プラズマへの直接照射による高速イオンの発生、近年実現された1キロテスラに匹敵する外部磁場、レーザーエネルギーの増加に伴う自己生成磁場の増大を積極的に利用し、高速点火研究の新展開を目指す。そのため、高速電子・イオンの発生と爆縮プラズマ中の輸送を分布関数レベルで計算する二次元フォッカープランクコードを開発し、高強度レーザーと爆縮プラズマの相互作用で発生する高速電子・イオンによる爆縮コア加熱を解析する。平成27年度は３年の期間内の一年目であり、前期においてParticle in Cell(PIC)シミュレーションによる超高強度レーザーとプラズマとの相互作用を調べ、高速電子及び高速イオンの発生を定量的にモデリングするとともに、後期には高速電子及び高速イオンの輸送コードを実空間２次元速度空間３次元のFokker-Planck方程式に基づき開発する計画であった。二次元PICシミュレーションを実行し、高速電子の発生及び磁場生成を調べた。本研究では超高強度レーザーと爆縮プラズマとの直接相互作用を調べるのが目的であり、CDやDTなど低Zプラズマが対象である。幅広いパラメータに渡る基本的特性を理解するため、まず炭素シェルに超高強度レーザーを照射し、発生する高速電子を調べ、高速電子による電流により生成される磁場により、磁化プラズマ生成の可能性を見出した。また、Fokker-Planck方程式解法については現在も引き続きコード作成を行っている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

１年目の計画であるPICシミュレーションと２次元フォッカープランク方程式コードの開発のうち、PICシミュレーションについては計画に沿った形で計算を進めることができているが、フォッカープランク方程式コードの開発についてはプログラムに時間がかかっている。しかしながら、２年目の計画である。磁場生成、印加における高速電子のエネルギー付与については先行して実行しているため、全体として計画に沿って概ね順調に進行している。

今後の研究の推進方策

２次元フォッカープランク方程式コードを完成させ、相対論、非相対論ハイブリッドコードの開発を行う。PICシミュレーションで見積もった穂高速電子、高速イオン、磁場磁場生成を初期条件にして、高速粒子の輸送計算を行う。

次年度使用額が生じた理由

当初計画よりも海外渡航に関する旅費が少なかったため

次年度使用額の使用計画

本年度の海外渡航で使用する

研究成果

• [雑誌論文] Fast Ignition Realization Experiment with High-Contrast Kilo-Joule Peta-Watt Laser LFEX and Strong External Magnetic Field (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujioka, Y. Arikawa, S. Kojima, T. Johzaki, H. Nagatomo, H. Sawada, S. H. Lee, T Shiroto, N. Ohnishi, A. Morace, X. Vaisseau, S. Sakata, Y. Abe, K. Matsuo, K F. F. Law, S. Tosaki, A. Yogo, K, Shigemori, Y. Hironaka, Z. Zhang, A. Sunahara, T. Ozaki, H. Sakagami, K. Mima, et al.
  • 雑誌名: Phys. Plasmas 巻: 23 ページ: 056308
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct heating of imploded plasma in the fast ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Sunahara, T. Johzaki, H. Nagatomo, K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, Y. Mori, and Y. Kitagawa
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 688 ページ: 012114
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 内面照射型高速点火核融合の点火計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 砂原淳
  • 学会等名: プラズマ核融合学会
  • 発表場所: 名古屋大学豊田講堂
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [学会発表] Hydrodynamic simulation of Irradiation of ultra-intense laser on the inner surface of shell (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Sunahara
  • 学会等名: 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Savannah, GA, USA
  • 年月日: 2015-11-16 – 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] Direct heating of compressed core by ultra-intense laser (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Sunahara
  • 学会等名: International conference on Inertial confinement fusion Science and Applications:IFSA2015
  • 発表場所: Seattle, WA, USA
  • 年月日: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • 国際学会