複合ガス入射による非接触プラズマ挙動の理解と制御

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03790
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 江角 直道 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20321432)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 非接触プラズマ / プラズマ-ガス相互作用 / ダイバータ / 原子分子過程 / 分子活性化再結合 / 窒素 / 水素 / ターゲット形状

研究実績の概要

ダイバータ板へ集中するプラズマの熱負荷低減において、これまでに水素と窒素の重畳入射時には窒素分子が介在する分子活性化再結合 N-MAR を介して、粒子束の大幅な低減が生じることが明らかになった。本年度は、タンデムミラー装置GAMMA10/PDXの開放端部に設置したダイバータ模擬実験モジュール(D-module)において水素と窒素の重畳入射時に窒素ガス入射量を変化させ、水素と窒素の比率が非接触プラズマ形成に及ぼす影響を調べた。本実験の範囲では、窒素比が高くなるほど電子密度とイオン粒子束の低下が観測された。水素バルマー線 (Hα、Hβ) 強度比の変化から、窒素の混合により、解離性付着反応に起因する水素分子活性化再結合H-MARが抑制されることが示唆された。今後、実験による反応粒子種の同定や反応過程の衝突輻射モデルによる解析を進める。
また、現在検討が進む原型炉では、非接触プラズマ制御方法の高度化とともに、様々な磁場配位・幾何学的配位の検討が必要である。D-module内の角度可変のV字ターゲット板を活用して、非接触プラズマ形成の角度依存性を調べた。ターゲット板の角度を変え、V字ターゲットコーナー付近から水素ガスパフを行ったところ、角度が狭いほどプラズマの変化のタイミングに遅延が観測された。モンテカルロシミュレーションによる中性粒子空間分布の計算から、ターゲット領域に中性粒子が滞留しやすくなる結果を得ていることから、上述の結果は、小角度の場合は中性粒子の上流への輸送が抑制され、上流での放射損失、電離によるエネルギー損失が生じにくくなることを示唆しているものと考えられる。同時に、H-MARの指標にもなる水素バルマー線強度比も変化しており、ターゲット板角度が中性粒子輸送だけでなく、粒子損失過程にも影響しているものと考えられ、今後、実験、理論両面から詳細に明らかにする必要がある。

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

計画していた実験をほぼ予定通り実施することができた。昨年度不具合のあった放射パワー計測は、構成部品の一部を改良し、初期的な観測結果が得られ、次年度に向けた感度向上の準備を進めた。DIII-Dトカマク装置の研究者、ならびにN-MARに関する原子分子過程の計算コードを開発した研究者とも議論を重ね、国際共著論文の執筆、国際会議発表を行うことができた。

今後の研究の推進方策

水素バルマー線 (Hα、Hβ) 強度比の変化がプラズマ中での反応過程と大きく関連することから、高速度カメラを用いた計測精度の向上を図り、ガス種の違いやターゲット角度による水素バルマー線強度比の空間分布の変化から現象の解明につなげることを計画している。衝突輻射モデルによる解析を行い、この強度比の変化の要因を原子分子反応過程の観点からの解明を進める。また、窒素とならんで重要な不純物ガスであるネオンガスを用いた実験を行い、窒素とネオンの非接触プラズマ形成への効果の違いを明らかにする。ターゲット形状の効果については、DIII-Dトカマク装置における小角度スロットダイバータの実験との比較を効率よく行い、より緊密な共同研究体制の構築のため、日米科学技術協力事業の枠組みも活用すべく、次年度の同事業への申請を行なった。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍の影響で旅費を使用しなかったため次年度使用額が生じた。翌年度も旅費の執行が難しい場合は、実験を効果的に進めるため旅費以外の経費に使用する。

研究成果

• [国際共同研究] General Atomics/UC San Diego(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: General Atomics/UC San Diego
• [雑誌論文] Influence of Nitrogen Ratio on Plasma Detachment during Combined Seeding with Hydrogen on Divertor Simulation Experiment of GAMMA 10/PDX (2021)
  • 著者名/発表者名: GAMO Hiroki、EZUMI Naomichi、SUGIYAMA Tsukasa、NOJIRI Kunpei、KONDO Ayane、HIRATA Mafumi、KOHAGURA Junko、YOSHIKAWA Masayuki、NAKASHIMA Yousuke、HWANGBO Dogyun、SAKAMOTO Mizuki、PERILLO Renato、KUWABARA Tatsuya、TANAKA Hirohiko、OHNO Noriyasu、SAWADA Keiji、TONEGAWA Akira、MASUZAKI Suguru
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 2402041～2402041
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402041
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Role of Molecular Processes and Target Configuration on Plasma Detachment in GAMMA 10/PDX (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ezumi, H. Gamo, T. Sugiyama, K. Nojiri, A. Kondo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, Y. Nakashima, M. Sakamoto, R. Perillo, H.Y. Guo, T. Kuwabara, H. Tanaka, N. Ohno, K. Sawada, S. Kado, A. Tonegawa, S. Masuzaki
  • 学会等名: 24th International Conference on Plasma Surface Interaction in Fusion Devices (PSI-24)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent research progress on plasma detachment in divertor simulation experiment in GAMMA 10/PDX: Role of molecular processes and target configuration (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Ezumi, H. Gamo, T. Sugiyama, K. Nojiri, A. Kondo, M. Hirata, J. Kohagura, M. Yoshikawa, Y. Nakashima, M. Sakamoto, R. Perillo, H.Y. Guo, T. Kuwabara, H. Tanaka, N. Ohno, K. Sawada, S. Kado, A. Tonegawa, S. Masuzaki
  • 学会等名: 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effects of V-shaped target angle on plasma behavior in the GAMMA 10/PDX divertor simulation experimental module (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa SUGIYAMA, Naomichi EZUMI, Hiroki GAMO1, Kunpei NOJIRI, Ayane KONDO, Mafumi HIRATA, Masayuki YOSHIKAWA, Dogyun HWANGBO, Houyang GUO, Junko KOHAGURA, Yousuke NAKASHIMA, Mizuki SAKAMOTO, Tatsuya KUWABARA, Hirohiko TANAKA, Noriyasu OHNO, Keiji SAWADA, Akira TONEGAWA, Suguru MASUZAKI, Gakushi KAWAMURA
  • 学会等名: The 29th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research (ITC29)
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of nitrogen ratio during combined seeding with hydrogen on plasma detachment in the divertor simulation experimental module of GAMMA 10/PDX (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki GAMO, Naomichi EZUMI, Tsukasa SUGIYAMA, Kunpei NOJIRI, Ayane KONDO, Mafumi HIRATA, Junko KOHAGURA, Masayuki YOSHIKAWA, Yousuke NAKASHIMA, Dogyun HWANGBO, Mizuki SAKAMOTO, Renato PERILLO, Tatsuya KUWABARA, Hirohiko TANAKA, Noriyasu OHNO, Keiji SAWADA, Akira TONEGAWA, Suguru MASUZAKI
  • 学会等名: The 29th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research (ITC29)
  • 国際学会
• [学会発表] GAMMA 10/PDXダイバータ模擬プラズマのV字ターゲット角度及び追加ガス入射位置による変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉山吏作，江角直道，蒲生宙樹，野尻訓平，近藤綾音，平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔，皇甫度均，坂本瑞樹，H.Y. Guo，桑原竜弥，田中宏彦，大野哲靖，澤田圭司，利根川昭，増崎 貴，河村学思
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] GAMMA 10/PDXダイバータ模擬実験における非接触プラズマ形成への水素-窒素混合比の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 蒲生宙樹，江角直道，杉山吏作，野尻訓平，近藤綾音，平田真史，小波蔵純子，吉川正志，中嶋洋輔，皇甫度均，坂本瑞樹，R.Perillo，桑原竜弥，田中宏彦，大野哲靖，澤田圭司，利根川 昭，増崎 貴
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会 年会
• [備考] 筑波大学プラズマ研究センター
  • URL: https://www.prc.tsukuba.ac.jp