核融合プラズマ加熱用重水素負イオン源における電子輸送解析

担当:加藤 凌

研究背景・概要

 核融合炉の炉心では、プラズマを閉じ込め、約1億℃を保つ必要があります。現在主流となっている方法は、磁力線の籠で炉心を囲み、プラズマを閉じ込める磁場閉じ込め型です。

 しかし、この方法には、加熱の問題があります。約1億℃を保つ案として、外からより高エネルギー(高温)の粒子を注入するというものがあります。イメージとしては、お風呂により熱いお湯を足し、温度を保つ方法です。ここで使う高エネルギーの粒子は、荷電粒子を電場を使って加速させたものが良いと考えられています。しかし、炉心は強力な磁場に覆われているので、荷電粒子は磁場に遮られて炉心に届かないのです。これが、核融合プラズマの加熱の問題です。

 上述の問題の解決策として、荷電粒子(例:水素イオン)ではなく中性粒子(例:水素原子)を使うというものがあります。中性粒子を使った加熱法を、中性粒子ビーム入射法、Neutral Beam Injection (NBI)と言います。NBIでは水素負イオン源と呼ばれる装置内で水素負イオンを生成し、これをビームとして引き出したのち、中性化して中性粒子ビームとして核融合プラズマに打ち込み、加熱を行います。

 これまでイオン源への注入ガスとして水素が用いられてきた。しかし、核融合炉には重水素ガスが用いられるため、近年、イオン源へ注入するガスが水素から重水素へと変更された。この結果、イオン源の特性が変化してしまい、負イオンと同時に引き出される電子の増加が深刻な課題となっている。

 負イオン源では、電極に電圧をかけ、生成した負イオンの引き出し、ビームとしての収束、加速を行う。しかし、この機構上、負イオンと同時に、同じ負電荷を持つ電子も引き出されてしまう。電極は負イオンがビームとして収束するように設計されているので、負イオンより軽い電子は図1のように発散してしまい、電極に衝突してしまう。これは電極に大きな負荷をかけるため、引き出される電子電流がある値を超えると、電極の保護のため運転時間に制限をかける必要がある。

図1 電子ビームの発散

現在、重水素を用いた場合、従来の水素の場合に比べて2倍以上電子が引き出されてしまうため、早急な原因解明が必要となっている。

 よって、本研究の目的は、数値解析を用いたイオン源の重水素化による影響の解析による、電子電流増加の原因解明である。

研究方法

 具体的な研究内容としては、3次元粒子シミュレーションを行っています。負イオン源装置の中をシミュレーションする領域として、その中の全電子1つ1つの運動(軌道・弾性衝突・非弾性衝突)をシミュレーションすることで、装置内部のプラズマが軽水素と重水素でどう異なるかを解析し、前述の原因解明をしようとしています。

 環境はLinuxで、使用言語はFortranです。(どちらも研究室に入ってから勉強しました)

 学部4年生の時から共同研究を行っており、定期的に自身の研究進捗の報告と、それに対するアドバイスを研究室内だけでなく、研究室外の専門家の方々からもいただいています。

3年生へ

 研究背景、内容、方法や、研究室の雰囲気、基本的なスケジュールなど質問があれば、気軽に連絡してください。

 

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