高速点火レーザー核融合におけるドライバ粒子の伝播制御

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25400539
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 坂上 仁志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30254452)
• 研究分担者: 城崎 知至 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10397680)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: レーザー核融合 / 高速点火 / イオン加速 / 短波長化 / 外部印加磁場 / 磁場圧縮 / 高速電子ガイディング

研究実績の概要

コーン付きターゲットを用いた高速点火レーザー核融合では，生成される高速電子が大きな発散角を持ち，かつスロープ温度が高すぎるためコア加熱効率の著しい低下が懸念されている．そこで，高エネルギーイオンを用いて追加熱を行うことが考えられている．イオンを超高強度短パルスレーザーで加速する機構には，ターゲット裏面に生成されるシース電場とターゲット前面のポンドラモーティブ力がある．それぞれの場合において，ターゲット構造を工夫してイオン加速の効率を高め，統合シミュレーションを行った結果，平均コア電子温度は，イオン加熱により，20~100%上昇することがわかった．
また，高速電子のスロープ温度を下げる手法として，加熱用レーザーの短波長化（2ω，3ω化）が考えられている．短波長化による影響を輻射流体コードで解析したプリプラズマを用いて生成される高速電子のスロープ温度を粒子シミュレーションで評価した結果，2ω化の場合には37%，3ω化の場合には70%の温度低下が期待できることがわかった．
さらに，高速電子の発散を抑制する手法である外部印加磁場による高速電子ガイディングについては，単純な平行磁場ではなく，爆縮により圧縮された磁場配位の影響を粒子シミュレーションにより評価した．この結果，ミラー比が20以上になるとガイディング効果よりもミラー反射の影響が大きくなることが明らかになった．そして，外部印加磁場を与えたレーザー駆動爆縮の輻射流体シミュレーションでは，シェルの圧縮と伴に磁場も十分に圧縮されることが明らかになったが，電子熱伝導係数の非等方性によってシェルが均一に加速されず，条件によっては爆縮途中でシェルが破断する可能性があることも明らかになった．
一方，ハイブリッドコードによる高速電子伝播のシミュレーションでは，外部印加磁場が中途半端に強いと高強度のホイッスラー波が発生して電子流が淀むことがわかった．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

高エネルギーイオンを用いた補助加熱では，二つのイオン加速機構についてターゲット構造をそれぞれ工夫し，イオンによる追加熱の効果を定量的に評価できた．しかし，統合シミュレーションにおいて，粒子コードは2次元コードであるがフォッカープランクコードは1次元コードであるため，加熱ドライバー粒子が持っている発散特性の評価は，十分ではなかった．
加熱レーザーの短波長化により高速電子のスロープ温度を低減する手法では，当初計画していた2ω化だけではなく，更に踏み込んで3ω化も併せて，プリプラズマの生成から高速電子の生成までを定量的に評価できた．しかし，プリプラズマが大きいため，計算資源の制約から，粒子コードは1次元コードの利用に留まっている．
外部印加磁場による高速電子ガイディングでは，より現実的な収束磁場配位を用いて，磁場の形状による効果，特に磁場のミラー比について，コア加熱に与える影響を粒子シミュレーションにより定量的に評価できた．また，外部印加磁場の爆縮による圧縮効果も輻射流体シミュレーションにより確認できた．さらに，ハイブリッドコードによるシミュレーションにより，強磁場配下における高速電子伝播の物理が明らかになった．

今後の研究の推進方策

高エネルギーイオンを用いた追加熱については， 2次元フォッカープランクコードを用いた統合シミュレーションを実施し，加熱ドライバー粒子が持っている発散特性が，コア加熱に対して与える影響を定量的に評価する．更に，高速電子の生成と高エネルギーイオンの生成は一般にトレードオフの関係にあるため，ターゲット構造を工夫し両者によるコア加熱を最適化する．
加熱レーザーの短波長化については，スロープ温度について，2次元粒子コードによる定量的な評価を進める．
外部印加磁場により高速電子をコア近くまでガイドするためには，磁場を生成するコイルの配置や磁場を印加するタイミングにより，初期磁場の配位を調整しなければならないことが示されたので，これを最適化する．また，外部印加磁場の圧縮についても，シェルが破断しない条件を明らかにし，外部印加磁場の形状・構造を取り入れたシミュレーションを行い，磁場形状および構造によるガイディング効率への影響を評価する．また，強磁場配下の高密度プラズマ中におけるホイッスラー波の解析を更に進め，高速電子輸送に対する影響を評価する．
一方，自己生成ピンチ磁場は比較的発散角の小さい水先案内的な超高エネルギー電子によっても生成され，後続するコア加熱に適した比較的エネルギーの低い高速電子をコアに導くことも期待できる．これも，高速電子を伝播制御できる新しい機構であるため，相粒子コードによる詳細な解析を行い，その効果を評価する．

次年度使用額が生じた理由

通常3月に開催されていた出席予定の国際会議の開催時期が4月となったため，参加旅費を年度内には執行できず，次年度に繰り越す必要が生じた．

次年度使用額の使用計画

繰り越し分相当額は，その国際会議への参加旅費として利用する．

研究成果

• [雑誌論文] Simulation of the Ablation by Charged Particles for Laser Fusion Reactor Wall (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Takaki, K. Kageyama, A. Sunahara, T. Yabuuchi, and K. A. Tanaka
  • 雑誌名: J. Nucl. Materials 巻: 459 ページ: 77-80
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-generated magnetic dipoles in weakly magnetized beam-plasma system (2015)
  • 著者名/発表者名: Q. Jia, K. Mima, H. B. Cai, T. Taguchi, H. Nagatomo and X. T. He.
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 91 ページ: 023107
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.91.023107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Implosion Simulation by Hydro Code Coupled with Laser Absorption using New Raytrace Algorithm (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yanagawa, H. Sakagami, A. Sunahara, H. Nagatomo
  • 雑誌名: Plasma Fusion Res. 巻: 9 ページ: 3404090
  • DOI: 10.1585/pfr.9.3404090
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hot electron spectra in hole-cone shell targets and a new proposal of the target for fast ignition in laser fusion (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ozaki, A. Sunahara, H. Shiraga, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Sakagami, Z. Zhang, H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Namimoto, M. Taga, S. Kojima, Y. Abe, K. Ishihara, T. Nagai, S. Sakata, S. Hattori, Y. Sakawa, H. Nishimura, H. Azechi, FIREX Group
  • 雑誌名: Phys. Scr. 巻: 2014 ページ: 014025
  • DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T161/014025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kinetic effects and nonlinear heating in intense x-ray-laser-produced carbon plasmas (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Sentoku, I. Paraschiv, R. Royle, R.C., Mancini, T. Johzaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 90 ページ: 051102
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.90.051102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser-plasma interactions for fast ignition (2014)
  • 著者名/発表者名: A. J. Kemp, F. Fiuza, A. Debayle, T. Johzaki, W. B. Mori, P. K. Patel, Y. Sentoku, L. O. Silva
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 54 ページ: 054002
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/5/054002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of fast electron transport for fast ignition (2014)
  • 著者名/発表者名: A. R. Robinson, D. J. Strozzi, J. R. Davies, L. Gremilet, J. J. Honrubia, T. Johzaki, R. J. Kingham, M. Sherlock, A. A. Solodov
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 54 ページ: 054003
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/5/054003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast ignition integrated experiments and high-gain point design (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Shiraga, H. Nagatomo, W. Theobald, A.A. Solodov and M. Tabak
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 54 ページ: 054005
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/5/054005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact ignition as a track to laser fusion (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Muarakami, H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Sakaiya, A. Velikovich, M. Karasik, S. Gus’kov, N. Zmitrenkov
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 54 ページ: 054007
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/5/054007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Magnetic Field Strength on a Magnetic Thrust Chamber System (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Maeno, A. Sunahara, S. Fujioka, and H. Nakasima
  • 雑誌名: Journal of Propulsion and Power 巻: 30 ページ: 54-61
  • DOI: 10.2514/1.B34911
  • 査読あり
• [学会発表] 磁化ビームプラズマ相互作用におけるホイッスラー波の増幅 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田口俊弘，T. M. Antonsen, Jr., 三間圀興
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] レーザープラズマにおける無衝突衝撃波の生成条件の解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長谷川直毅，坂上仁志，坂和洋一
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 燃料球内面照射型高速点火核融合の理論と点火デザイン (2015)
  • 著者名/発表者名: 砂原淳，城崎知至，柳川琢省，坂上仁志，安部勇輝，長井隆浩，李昇浩，Zhang Zhe, 池之内孝仁，小島完興，坂田匠平，有川安信，藤岡慎介，中井光男，白神宏之，乗松孝好，疇地宏，FIREXプロジェクトチーム
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 燃料球の内面照射における加熱一様性の評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柳川琢省，坂上仁志，砂原淳，安部勇輝，長井隆浩，李昇浩，藤岡慎介
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 高速点火のための爆縮による外部磁場制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，城崎知至，砂原淳，坂上仁志，Zhang Zhe，Morace Allesio，藤岡慎介，佐野孝好
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] イオン補助加熱を用いた高速点火レーザー核融合における外部磁場効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 坂上仁志，城崎知至，砂原淳，長友英夫
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] レーザー加速イオンビームによるコア加熱効率の向上 (2015)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至，砂原淳，長友英夫，甲斐祐亮，遠藤琢磨，余語覚文，有川安信，Alessio Morace，小島完興，坂田匠平，長井隆浩，Zhe Zhang，安部勇輝，池之内孝仁，宇津木卓，李昇浩，井上裕晶，側貴行，田口雄基，尾崎哲，戸崎翔太，西村博明，山ノ井航平，乗松孝好，藤岡慎介，白神宏之，疇地宏，FIREXプロジェクトチーム
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 短波長レーザーにより生成された高速電子の特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤竜馬，坂上仁志，砂原淳，城崎知至，長友英夫
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 高強度レーザープラズマ相互作用における複数パルス照射の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 畑昌育，坂上仁志，城崎知至，千徳靖彦，砂原淳，長友英夫
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Evaluation of Ion Beam Properties for Core Heating in Ion Assisted Fast Ignition Scheme (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Sakagami, T. Johzaki, A. Sunahara and H. Nagatomo
  • 学会等名: ASHULA Workshop - 2015
  • 発表場所: Lonavala, India
  • 年月日: 2015-01-20 – 2015-01-21
• [学会発表] 輻射流体コードのMHD化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，佐野孝好，砂原淳，城崎知至，坂上仁志
  • 学会等名: 第28回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 東京都・タワーホール船堀
  • 年月日: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [学会発表] 高強度ピコ秒レーザーと長尺プリプラズマ付きコーンターゲットとの相互作用により発生する高速電子の特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 畑昌育，坂上仁志，千徳靖彦，城崎知至，砂原淳，長友英夫
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] 内部直接加熱による高速点火核融合において現れるターゲット内面でのレーザー吸収分布の一様性の評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柳川琢省，坂上仁志，砂原淳，安部勇輝，長井隆浩，李昇浩，藤岡慎介
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] 強磁場下のレーザープラズマ流体の数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆，砂原 淳，城崎知至
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] 光圧加速イオンビームによる高速点火 (2014)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至，千徳靖彦，砂原 淳，森川能匡，遠藤琢磨
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] イオン補助加熱を用いた高速点火におけるイオンビーム特性の評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂上仁志，城崎知至，砂原淳，長友英夫
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] Fast Ignition by Photon-Pressure Accelerated Ion Beam (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Johzaki, Y. Sentoku, A. Sunahara, T. Morikawa, T. Endo
  • 学会等名: 56th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: New Orleans, LA, US
  • 年月日: 2014-10-27 – 2014-10-31
• [学会発表] Generation of lower harmonic radiation by a strong laser plasma interaction with asymmetrically bundled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Taguchi, M. Inoue, T. M. Antonsen, Jr.
  • 学会等名: 56th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: New Orleans, LA, US
  • 年月日: 2014-10-27 – 2014-10-31
• [学会発表] Computational Study of Magnetic Field Compression by Laser Driven Implosion (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, K. Mima, H. Sakagami, A. Nishiguchi, T. Sano, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
  • 学会等名: 25th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
  • 発表場所: St. Petersburg, Russia
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [学会発表] Strong magnetic field generation by laser and its applications (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Mima
  • 学会等名: 2nd international conference on High Energy Density Physics
  • 発表場所: Beijin, China
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrodynamics instability in strong magnetic field for fast ignition (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, K. Mima, H. Sakagami, A. Nishiguchi, T. Sano, The Zhang, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
  • 学会等名: 13th International Workshop on the Fast Ignition of Fusion Targets
  • 発表場所: Oxford, UK
  • 年月日: 2014-09-14 – 2014-09-18
• [学会発表] Electron beam generation and transport in kT-class longitudinal magnetic fields (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Johzaki, Y. Sentoku, H. Nagatomo, A. Sunahara, H. Sakagami, K. Mima, S. Fujioka, H. Shiraga and FIREX project group
  • 学会等名: 13th International Workshop on the Fast Ignition of Fusion Targets
  • 発表場所: Oxford, UK
  • 年月日: 2014-09-14 – 2014-09-18
• [学会発表] Simulation analysis of deceleration phase Rayleigh-Taylor instability in asymmetric implosion appeared in GekkoXII laser irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yanagawa1, H. Sakagami, H. Nagatomo and A. Sunahara
  • 学会等名: 14th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing
  • 発表場所: San Francisco, CA, US
  • 年月日: 2014-08-31 – 2014-09-05
• [学会発表] 負荷分散技法OhHelpによる粒子コード並列化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 仁井大心，坂上仁志，羽原英明，田中和夫
  • 学会等名: SWoPP新潟2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-07-30
• [学会発表] Target design for energetic ion assisted fast ignition (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Sakagami, T. Johzaki, A. Sunahara and H. Nagatomo
  • 学会等名: 41st EPS Conf. on Plasma Physics
  • 発表場所: Berlin, Germany
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-27
• [学会発表] Ultra high magnetic field effects on laser plasma laser interactions (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Mima, Qing Jia, T. Taguchi, H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, S. Fujioka, H. B. Cai, X. T. He, and Y. Kato
  • 学会等名: 41st EPS Conf. on Plasma Physics
  • 発表場所: Berlin, Germany
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-27