担当：石川
研究背景
核融合炉は、将来のエネルギー源として期待されており、現在主流となっているのはトカマク型である 。この方式では、1億度に近い高温のプラズマをドーナツ状の強力な磁場で閉じ込める 。しかし、プラズマの一部は磁場から漏れ出し、そのプラズマを受け止めるのが「ダイバータ」と呼ばれる装置である 。ダイバータは極めて大きな熱・粒子負荷に晒されるため、その熱負荷をどう軽減するかが核融合炉実現の重要な課題となっている 。
その解決策の一つが「非接触ダイバータ」である 。これは、ダイバータの前に中性粒子ガス層を形成し、クッションのようにして高温プラズマが直接ダイバータ板に衝突するのを防ぐ状態を指す 。この中性粒子が「電荷交換」や「再結合」といった反応を通じてプラズマを冷却し、熱負荷を大幅に低減させる 。
この非接触状態の実現に特に重要だと考えられているのが、「分子活性化再結合（MAR）」という反応である 。MARは、プラズマ中のイオンと電子が再結合して中性粒子に戻る反応で、これにより高温のプラズマが消滅し、熱負荷が低減される 。この反応は、分子が振動励起した状態にあると飛躍的に促進されるという特徴がある 。
先行研究では、シミュレーションでMARを考慮するとダイバータへの熱負荷が半分にまで低減されることが示されており 、非接触状態における熱負荷軽減のメカニズムを理解する上でMARが重要であることが分かっている 。
研究目的
先行研究は、小さい系で低温・低密度のプラズマを対象としたものであった 。しかし、実際の核融合炉はより大型で高温・高密度な環境である 。
そこで本研究では、JT-60Uや将来の原型炉のような、より現実に近い大型装置の環境を想定したモデルを開発することを目的とする 。これにより、MARを含む中性粒子との相互作用による熱負荷軽減のメカニズムを解明し、将来の核融合炉の安定運転に貢献することを目指す 。
研究方法
本研究では、シミュレーション手法としてPIC（Particle-in-Cell）法を用いる 。PIC法は、プラズマ中の粒子一つ一つの運動と、それらが作り出す電磁場を同時に、かつ自己整合的に計算する運動論的手法である 。短い時間ステップで繰り返し計算を行うため、突発的な熱パルスの到来など、時間と共に状態が変化し続ける「非定常現象」や、場所によって状態が大きく異なる「非平衡現象」といった複雑な物理の記述に適している 。
