高エネルギーパルス入射時の核融合境界層プラズマの応答

担当:H.S.

研究背景・概要

 核融合発電は、二酸化炭素を排出しない事やエネルギー効率が極めて大きい事、現在稼働している原子力発電のような核分裂反応とは違って連鎖反応を起こさない事など様々なメリットのある発電方法です。現在各国が一丸となって取り組む国際的なプロジェクトとして日々研究が進められていますが、実用的な核融合炉は未だ実現していません。そこにはプラズマのコアへの安定的閉じ込めや、真空容器への熱負荷低減など、様々な課題が存在しているからです。

 その中でも私の研究では、先ほどあげた熱負荷低減に関連する、非接触ダイバータについて扱っています。非接触ダイバータとは簡単に言えば、ダイバータ板と高温プラズマとの間に中性粒子の層を作ることによってそれぞれが接触しないようになる現象の事です。非接触ダイバータは本来熱が集中するはずのダイバータ板への熱負荷を低減するため、これを維持することは核融合発電の定常運転において必要不可欠なポイントとなっています。

非接触ダイバータ

 しかしながら非接触ダイバータは、プラズマや中性粒子・壁・不純物が複雑に相互作用しあう現象であるため、その詳細は完全に解明されていません。また、低温状態でのみ実現する非接触ダイバータはコアからの高温の熱パルスによって崩壊してしまう可能性があります。そこで私の研究ではプラズマや中性粒子をシミュレーションによって再現し、非接触ダイバータにおいて起こっている物理過程や、高エネルギーパルス入射時の応答などを調べています。

研究方法

 研究手法として、プラズマの動きを再現するPIC(Particle in Cell)モデルに中性粒子モデルを組み込んだシミュレーションを用いています。PICモデルは各タイムステップにおいて運動方程式やPoisson方程式等を解くことにより、粒子の位置から各セルの電位や個々の粒子速度を逐次計算するモデルです。そのため計算時間はかかってしまうというデメリットはありますが、非平衡なプラズマを再現できます。対して中性粒子モデルは中性粒子とプラズマが行う原子・分子過程に関して、空間内で温度・密度を一様とした上で合計800種類ほどのレート方程式を解き、密度の時間変化を計算するモデルです。各タイムステップにおいてこれらのモデルで相互に情報をやり取りし、プラズマと中性粒子の定常状態を計算するシミュレーションとなっています。