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

2016 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, 理論・シミュレーションチーム, 副主任研究員 (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 / フォッカプランク方程式 / Warm Dense Matter

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2次元フォッカープランクコードの開発、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の解析、磁化プラズマのモデリングが研究の柱となる。３年計画の２年目として、超高強度レーザーと爆縮プラズマの直接相互作用による加熱についての計算をまとめた. また、高速点火ターゲットに用いる金コーンターゲットに対し外部磁場を印加した時の金コーンへの磁場の拡散について計算した。具体的には２次元円柱座標系にてMaxwell方程式を解くコードを開発するとともに、平行して金の導電率を計算し、Maxwell方程式にオーム則の形で計算した導電率を結合させ、磁場の拡散の時間発展を計算した。また、磁場により生じる渦電流による金コーン外壁の温度上昇について評価を行なった。金の導電率計算において対象とするのはWarm Dense Matter領域にあたり、導電率のほかに、継続して、導電率と熱力学的に自己無撞着な状態方程式の計算コードを開発中である。また、フォッカ～プランクコード開発に着手し、コード開発を現在行なっている。

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

２次元のフォッカープランク方程式計算コードの開発が遅れているが、現在これに着手している。また、磁場計算など、磁化プラズマの計算については計算及びモデル開発が進展しており、最終年度の統合計算に向けて準備を進めている。

今後の研究の推進方策

最終年度前半は２次元フォッカープランクコードの開発を重点的に行う。また、磁場計算コードと統合して、統合計算を可能にする。このコードを用いて、後半で統合計算を行う。

研究成果

• [国際共同研究] CMUXE/School of Nuclear Engineering/Purdue University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: CMUXE/School of Nuclear Engineering/Purdue University
• [雑誌論文] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Johzaki, H. Nagatomo, A. Sunahara, Y. Sentoku, H. Sakagami, M. Hata, T. Taguchi, K. Mima, Y. Kai, D. Ajimi, T. Isoda, T. Endo, A. Yogo, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga, and H. Azechi,
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 59 ページ: 014045
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast heating of imploded core with counter-beam configuration (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mori, Y. Nishimura, S. Nakayama, K. Ishii, Y. Kitagawa, T. Sekine, N. Sato, T. Kurita, T. Kawashima, H. Kan, O. Komeda, T. Nishi, H. Azuma, T. Hioki, T. Motohiro, A. Sunahara, Y. Sentoku, and E. Miura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 055001
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.055001
  • 査読あり
• [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] Ultrahigh-contrast kilojoule-class petawatt LFEX laser using a plasma mirror (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Arikawa, S. Kojima, A. Morace, S. Sakata, T. Gawa, Y. Taguchi, Y. Abe, Z. Zhang, X. Vaisseau, S. H. Lee, K. Matsuo, S. Tosaki, M. Hata, K. Kawabata, Y. Kawakami, M. Ishida, K. Tsujii, S. Matsuo, N. Morio, Kawasaki, S. Tokita, Y. Nakata, T. Jitsuno, J. Kawanaka, H. Nagatomo, et al.
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 55 ページ: 6850-6857
  • DOI: 10.1364/AO.55.006850
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical demonstration of high-Z doping scheme on ignition-relevant scale implosion (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Sunahara, S. Fujioka and A. Sasaki
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 122705
  • DOI: 10.1063/1.4972546
  • 査読あり
• [学会発表] 高速点火ターゲットへの磁場印加シミュレーション (2016)
  • 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: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] Diffusion of external magnetic fields into the cone-in-shell target in the fast ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: 砂原 淳
  • 学会等名: Japan-US workshop on Theory and Simulation on the high energy density physics related to the inertial confinement fusion
  • 発表場所: San Jose, CA, USA
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-05
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusion of external magnetic fields into the cone-in-shell target in the fast ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: 砂原 淳
  • 学会等名: 58th Annual Meeting of the Division of Plasma Physics
  • 発表場所: San Jose, CA, USA
  • 年月日: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of Magnetized Plasma by Ultra-intense laser Irradiation on Shell Inner Surface for Fast Ignition scheme (2016)
  • 著者名/発表者名: 砂原 淳
  • 学会等名: 34-th European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM2016)
  • 発表場所: Moscow, Russia
  • 年月日: 2016-09-18 – 2016-09-23
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal evolution of external magnetic fields applied to the cone shell target (2016)
  • 著者名/発表者名: 砂原 淳
  • 学会等名: 14th International workshop on Fast-ignition and High field physics with High power lasers oint with CLES2016
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetic modeling on laser-produced plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: 砂原 淳
  • 学会等名: Kinetic physics workshop,
  • 発表場所: Livermore, CA, USA
  • 年月日: 2016-04-05 – 2016-04-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] Japan-US workshop on Theory and Simulation on the high energy density physics related to the inertial confinement fusion (2016)
  • 発表場所: San Jose, CA, USA
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-05