大型水素負イオン源における電子損失過程

担当:佐藤捷

 次世代エネルギー源として期待されている核融合発電には、核融合炉内の高温の核融合プラズマを保持するために、大型水素負イオン源が発する水素負イオンビームを中性粒子ビームに変換して照射し加熱することが必要となる。電荷をもたない中性粒子ビームにすることで、核融合プラズマを閉じ込めている磁場によるローレンツ力が働き軌道が曲がってしまうことがないため、核融合炉内への照射が可能となる。負イオン源は、負イオンの生成、引き出し、加速を行い、負イオンビームを発する。このビームの大電流化が、核融合発電の実現に向けた課題の1つとなっている。

 水素負イオン源は、注入される水素ガスと内部のフィラメントから放出される熱電子によって下式のような反応で水素負イオンを生成する。ビームの大電流化には、荷電粒子を損失しないよう装置内に効率よく閉じ込める必要がある。そのため、外側にカスプ磁石を取り付け、カスプ磁場をつくることで荷電粒子を閉じ込めている。しかし、結果として装置内の磁場配位が複雑になり、加えて様々な衝突や反応が起きるので、電子の輸送・損失過程は明らかではない。

 そこで本研究は、負イオン源内の電子輸送・損失過程の解明を目的とする。これにより、電子密度増大、すなわち負イオン生成量増大のための負イオン源の設計改善策を模索でき、ビームの大電流化の実現に貢献できる。本研究では、電子輸送・損失過程の解明に向けた最初のステップとして、電子が容器壁のどのあたりにどれくらい損失しているのかをシミュレーション解析により明らかにする。

 シミュレーション解析は、電子輸送解析モデルKEIO-MARCを用いて行う。KEIO-MARCは、衝突項を含めた磁場中における個々の電子の運動方程式

を解いて軌道を追跡する。シミュレーションは、下図のフローチャートで表されるように実行される。電子が容器壁に損失したとプログラム上で判定された場合に、その座標が損失座標として出力される。

初期条件を読み込んだあとタイムループを開始し、毎タイムループごとに、電子生成計算、衝突計算、電子位置更新、壁損失計算を行う。電子が壁に到達し、電子の運動エネルギーが容器壁近傍の電位であるシースポテンシャルより大きい場合に、電子が壁に損失すると判定し、その座標を出力する。

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