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2017 年度 実績報告書

Magnetized Fast Ignitionの原理実証

研究課題

研究課題/領域番号 16H02245
研究機関大阪大学

研究代表者

藤岡 慎介  大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635)

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)
城崎 知至  広島大学, 工学研究科, 准教授 (10397680)
山ノ井 航平  大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (30722813)
Morace Alessio  大阪大学, レーザー科学研究所, 特任助教(常勤) (70724326)
佐野 孝好  大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (80362606)
有川 安信  大阪大学, レーザー科学研究所, 講師 (90624255)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードレーザー / プラズマ / 強磁場 / レーザー核融合 / 磁化プラズマ / 高強度レーザー / 相対論的電子ビーム
研究実績の概要

レーザー核融合における高速点火方式は,米欧中等で進められている中心点火とは異なる経路で,核融合エネルギーの発生を実現することが可能である.高速点火方式の実現には,高強度レーザーによって加速された高速電子ビームを,高密度の核融合燃料に向けて効率的に誘導することが不可欠であることが近年明らかにされた.
本研究では,レーザー駆動方式によって生成した強磁場を,高速電子ビームの伝播経路に平行に印加し,核融合燃料に向けて,高速電子ビームを効率的に誘導し,加熱効率の向上を実証するのが目的である.平成30年度の研究では,磁場を印加することによって,磁場を印加しない場合と比べて,2倍高い効率でプラズマを加熱出来ることを実験的に実証した.最大で約8%の効率で,高強度レーザーから高密度プラズマにエネルギー付与出来ることを示した.理論・シミュレーションを用いて,本実験結果の解析を行い,加熱効率の向上に至る詳細な物理過程を明らかにしている.この成果は,当該分野で最大の国際会議であるIFSA2017や,米国物理学会のプラズマ分科会において,それぞれプレナリー講演,招待講演に選ばれるなど国際的に高く評価されている.
加えて,強磁場下における高エネルギー密度プラズマの流体運動について実験を行い,外部磁場下においてはプラズマ中でのエネルギー輸送が非等方になる結果,流体不安定性の成長が加速されることを実験的に示した.実験結果を説明するための理論モデルを構築し,定性的な理解に至っている.
高速点火方式では,中心点火方式とは異なり,中実球と呼ぶ燃料を用いることが可能である.核融合エネルギー実現の為の,核融合燃料の大量生産・供給において,中実球は複数の利点を有している.中実球を用いて高密度プラズマを生成するための実験を開始し,燃料を圧縮するためのレーザーのテーラリングとその計測を開始した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

外部磁場を印加することによって,過去最高の加熱効率である8%を達成しており,本課題が掲げるMagnetized Fast Ignitionの原理を実証を,当初の予定以上の早さで達成した.これは,実験・理論・ターゲット技術・レーザー技術を専門とする研究分担者,連携協力者が密に連携した結果であり,今後は当初目標を越える成果の達成に向けて更に研究を進める.

今後の研究の推進方策

中規模高出力レーザー装置である激光XII号レーザー及びLFEXレーザーを用いて,Magnetized Fast Ignitionが従来の高速点火方式よりも優れていることを明らかにすることが出来た.今後は,Magnetized Fast Ignition方式で,核融合点火に至るシナリオを描くために必要な研究を行う.具体的には,レーザー駆動磁場を駆使し点火に必要な10^20 W/cm^2クラスの電子ビームの実現,中実球と呼ばれる新しい形態の核融合燃料の高密度圧縮の達成である.加えて,シナリオ構築に不可欠なコンピューター・シミュレーション・コードのベンチマークに不可欠な基礎的なパラメーターマッピングについても取り組んで行く.

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 5件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件) 備考 (4件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] ボルドー大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      ボルドー大学
  • [国際共同研究] ローレンスリバモア国立研究所/カルフォルニア大学サンディエゴ校/ネバダ大学リノ校(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      ローレンスリバモア国立研究所/カルフォルニア大学サンディエゴ校/ネバダ大学リノ校
    • 他の機関数
      1
  • [国際共同研究] ダルムシュダット工科大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ダルムシュダット工科大学
  • [国際共同研究] 中国科学院物理学研究所(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院物理学研究所
  • [雑誌論文] Guiding of relativistic electron beams in dense matter by laser-driven magnetostatic fields2018

    • 著者名/発表者名
      Bailly-Grandvaux M.、Santos J. J.、Bellei C.、Forestier-Colleoni P.、Fujioka S et al.,
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 ページ: 102

    • DOI

      10.1038/s41467-017-02641-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Numerical simulations to model laser-driven coil-capacitor targets for generation of kilo-Tesla magnetic fields2018

    • 著者名/発表者名
      Schillaci F.、De Marco M.、Giuffrida L.、Fujioka S.、Zhang Z.、Korn G.、Margarone D.
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 8 ページ: 025103~025103

    • DOI

      10.1063/1.5019219

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Improvement in the heating efficiency of fast ignition inertial confinement fusion through suppression of the preformed plasma2017

    • 著者名/発表者名
      Arikawa Y.、Kojima S.、Morace A.、Hata M.、Sakata S.、Fujioka S. et al.,
    • 雑誌名

      Nuclear Fusion

      巻: 57 ページ: 066022~066022

    • DOI

      10.1088/1741-4326/aa6781

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetohydrodynamics of laser-produced high-energy-density plasma in a strong external magnetic field2017

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Kazuki、Nagatomo Hideo、Zhang Zhe、Nicolai Philippe、Sano Takayoshi、Sakata Shohei、Kojima Sadaoki、Lee Seung Ho、Law King Fai Farley、Arikawa Yasunobu、Sakawa Youichi、Morita Taichi、Kuramitsu Yasuhiro、Fujioka Shinsuke、Azechi Hiroshi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 95 ページ: 053204

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.95.053204

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Collimated Propagation of Fast Electron Beams Accelerated by High-Contrast Laser Pulses in Highly Resistive Shocked Carbon2017

    • 著者名/発表者名
      Vaisseau X.、Morace A.、Touati M.、Nakatsutsumi M.、Baton S.?D.、Hulin S.、Nicola? Ph.、Nuter R.、Batani D.、Beg F.?N.、Breil J.、Fedosejevs R.、Feugeas J.-L.、Forestier-Colleoni P.、Fourment C.、Fujioka S.、Giuffrida L.、Kerr S.、McLean H.?S.、Sawada H.、Tikhonchuk V.?T.、Santos J.?J.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 118 ページ: 205001

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.118.205001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Compression and electron beam heating of solid target under the external magnetic field for fast ignition2017

    • 著者名/発表者名
      Nagatomo H.、Johzaki T.、Asahina T.、Hata M.、Matsuo K.、Lee S.、Sunahara A.、Sakagami H.、Mima K.、Iwano K.、Fujioka S.、Shiraga H.、Azechi H.
    • 雑誌名

      Nuclear Fusion

      巻: 57 ページ: 086009~086009

    • DOI

      10.1088/1741-4326/aa74f0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasma mirror implementation on LFEX laser for ion and fast electron fast ignition2017

    • 著者名/発表者名
      Morace A.、Kojima S.、Arikawa Y.、Fujioka S.、Yogo A.、Tosaki S.、Sakata S.、Abe Y.、Lee S.H.、Matsuo K.、Sagisaka A.、Kondo K.、Pirozhkov A.S.、Norimatsu T.、Jitsuno T.、Miyanaga N.、Shiraga H.、Nakai M.、Nishimura H.、Azechi H.
    • 雑誌名

      Nuclear Fusion

      巻: 57 ページ: 126018~126018

    • DOI

      10.1088/1741-4326/aa74ec

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of laser-driven ion energies for fusion fast-ignition research2017

    • 著者名/発表者名
      Tosaki S、Yogo A、Koga K、Okamoto K、Shokita S、Morace A、Arikawa Y、Fujioka S、Nakai M、Shiraga H、Azechi H、Nishimura H
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2017 ページ: 103J01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptx136

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Confirmation of hot electron preheat with a Cu foam sphere on GEKKO-LFEX laser facility2017

    • 著者名/発表者名
      Gong T.、Habara H.、Uematsu Y.、Hayashi Y.、Kawazu S.、Kubota Y.、Matsumoto T.、Nakaguchi S.、Noma S.、Otsuki T.、Tsujii A.、Yahata K.、Yoshida Y.、Arikawa Y.、Fujioka S.、Nagatomo H.、Shiraga H.、Mcguffey C.、Krauland C. M.、Wei M. S.、Tanaka K. A.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 24 ページ: 112709~112709

    • DOI

      10.1063/1.4999975

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cu-oleate microspheres fabricated by emulsion method as novel targets for fast ignition laser fusion experiments2017

    • 著者名/発表者名
      Iwasa Yuki、Yamanoi Kohei、Fujioka Kana、Lee Seungho、Sakata Shohei、Yao Akira、Sawada Hiroshi、Yogo Akifumi、Nagatomo Hideo、Fujioka Shinsuke、Norimatsu Takayoshi
    • 雑誌名

      Fusion Engineering and Design

      巻: 125 ページ: 89~92

    • DOI

      10.1016/j.fusengdes.2017.11.009

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Production of intense, pulsed, and point-like neutron source from deuterated plastic cavity by mono-directional kilo-joule laser irradiation2017

    • 著者名/発表者名
      Abe Y.、Sunahara A.、Lee S.、Yanagawa T.、Zhang Z.、Arikawa Y.、Morace A.、Nagai T.、Ikenouchi T.、Tosaki S.、Kojima S.、Sakata S.、Satoh N.、Watari T.、Nishihara K.、Kawashima T.、Yogo A.、Sakagami H.、Shiraga H.、Nishimura H.、Mima K.、Azechi H.、Norimatsu T.、Nakai M.、Fujioka S.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 111 ページ: 233506~233506

    • DOI

      10.1063/1.5016531

    • 査読あり
  • [学会発表] Demonstration of Efficient Core Heating of Magnetized Fast Ignition in FIREX project2017

    • 著者名/発表者名
      T. Johzaki et al.,
    • 学会等名
      59th Annual Meeting of American Physical Society Division of Plasma Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Demonstration of REB Drive Fast Ignition with Assistance of External Magnetic Field in FIREX Project2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sentoku et al.,
    • 学会等名
      10th Inertial Fusion Sciences and Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental Demonstration of Magnetically-Assisted Fast Ignition on GEKKO-LFEX Laser Facility2017

    • 著者名/発表者名
      S. Fujioka et al.,
    • 学会等名
      10th Inertial Fusion Sciences and Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Stability of solid fusion fuel compression using tailored laser pulse2017

    • 著者名/発表者名
      S. H. Lee et al.,
    • 学会等名
      Stability of solid fusion fuel compression using tailored laser pulse
    • 国際学会
  • [学会発表] Two-colors-laser-plasma interaction for enhancing hot electron generation to drive strong shock in a dense matter2017

    • 著者名/発表者名
      S. Fujioka et al.,
    • 学会等名
      59th Annual Meeting of American Physical Society Division of Plasma Physics
    • 国際学会
  • [備考] 地上最大級の強磁場を使い光速電子の誘導に成功

    • URL

      http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2018/20180111_1

  • [備考] プラズマ・核融合学会第22回技術進歩賞を受賞

    • URL

      http://www.ile.osaka-u.ac.jp/jp/information/information/2017/170927.html

  • [備考] 強磁場によるレーザープラズマの閉じ込めに成功

    • URL

      http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2017/20170512_1

  • [備考] 大阪大学レーザー科学研究所 超高強度場科学グループ

    • URL

      http://lf-lab.net

  • [学会・シンポジウム開催] Technical meeting on High Energy Density Sciences with High-Power Lasers2017

URL: 

公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-10-07  

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