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論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02

BB2015-1473.pdf:4.28MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

論文

22A beam production of the uniform negative ions in the JT-60 negative ion source

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; Grisham, L. R.*; 畑山 明聖*; 柴田 崇統*; 山本 崇史*; 秋野 昇; 遠藤 安栄; et al.

Fusion Engineering and Design, 96-97, p.616 - 619, 2015/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:28.02(Nuclear Science & Technology)

JT-60SAのプラズマ加熱および電流駆動装置として利用する世界最大の負イオン源では、要求値となる22Aの大電流負イオンビームの100秒生成を目指している。そのためには、40cm$$times$$110cm(全1000穴)のビーム引出面積から生成されるビームの一様性を改善する必要がある。そこで、負イオンビームの親粒子である水素原子および水素イオンをより一様に生成するために、磁場分布・高速電子分布計算結果および実験結果に基づいて、従来の横磁場構造からテント型磁場構造を基にした新たな磁場構造に改良した。これにより、全プラズマ電極に対する一様な領域は、従来よりも1.5倍まで改良し、この一様な領域からJT-60SAの要求値を満たす22Aのビーム生成を可能にした。このときのビーム電流密度は210A/m$$^{2}$$であり、これはITERの負イオン源にて要求される200A/m$$^{2}$$をも満たすビーム生成に成功した。

論文

Progress of divertor simulation research toward the realization of detached plasma using a large tandem mirror device

中嶋 洋輔*; 武田 寿人*; 市村 和也*; 細井 克洋*; 大木 健輔*; 坂本 瑞樹*; 平田 真史*; 市村 真*; 池添 竜也*; 今井 剛*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 463, p.537 - 540, 2015/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:5.53(Materials Science, Multidisciplinary)

A divertor simulation experimental module (D-module) with a V-shaped divertor target is installed in the west end-sell in GAMMA 10 large tandem mirror device, and a hydrogen plasma irradiation experiment to the target have been started to investigate radiation cooling mechanism on the target. A gas injection system is installed in the D-module and Langmuir probe and calorie meter array are mounted on the target plate. During the plasma irradiation, the highest electron density of 2.4 $$times$$ 10$$^{18}$$ m$$^{-3}$$ and a significant reduction of the electron temperature from a few tens of eV to 2 eV are achieved on the target plate by hydrogen and noble gas injection into the D-module.

論文

Development of divertor simulation research in the GAMMA 10/PDX tandem mirror

中嶋 洋輔*; 坂本 瑞樹*; 吉川 正志*; 大木 健輔*; 武田 寿人*; 市村 和也*; 細井 克洋*; 平田 真史*; 市村 真*; 池添 竜也*; et al.

Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10

In the large tandem mirror device GAMMA 10/PDX, a divertor simulation experimental module (D-module) with a V-shaped divertor target have been installed in the end-mirror. A massive gas injection of hydrogen and noble gases (argon and xenon) into the D-module during hydrogen plasma irradiation onto the target was performed, and plasma detachment from the target was investigated. Electron temperature measured by Langmuir probe array on the target was significantly reduced from a few tens of eV to $$<$$ 3 eV, and particle flux was also reduced. A bright H$$alpha$$ emission in the upstream region of the D-module and strong reduction near the target were observed by a two-dimensional image of H$$alpha$$ emission in the target observed with a high-speed camera. Molecular activated recombination (MAR) process is expected to contribute to the reduction of the electron temperature and the particle flux.

論文

Analysis of electron temperature distribution by kinetic modeling of electron energy distribution function in JAEA 10 ampere negative ion source

柴田 崇統; 寺崎 良*; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 大楽 正幸; 谷口 正樹; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; et al.

AIP Conference Proceedings 1515, p.177 - 186, 2013/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:3.05

JT-60SA用中性粒子入射装置では、大面積(0.9$$times$$0.45m$$^{2}$$)引出し面上の負イオン生成が偏っており、引き出された負イオンが電極に衝突して失われることが問題となっている。これまでの研究で、フィラメント陰極から放出される高速電子が$$mathbf{B} times textrm{grad} mathbf{B}$$ドリフトによって長手方向一方向へ移動すること、その電子温度の空間分布に負イオン一様性が強く関連することがわかっている。本研究では、電子温度の空間分布を一様にする負イオン源の磁場配位の改良を目的として、負イオン源内の電子温度分布を再現・予測するため、衝突素過程を考慮した3次元電子輸送解析コードを開発し、原子力機構の10アンペア負イオン源モデルで電子温度空間分布に偏りが発現する機構を調べた。その結果、解析結果はプローブ測定結果を良く再現できること、さらに高速電子が高いエネルギー($$E$$=25-60eV)を保持したまま長手方向端部の壁付近まで到達してプラズマ粒子と頻繁に衝突し、電子温度の空間分布に偏りを生じる過程を明らかにした。

論文

Study of negative hydrogen ion beam optics using the 2D PIC method

宮本 賢治*; 奥田 晋*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 小島 有志

AIP Conference Proceedings 1515, p.22 - 30, 2013/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:3.05

負イオンビーム光学を数値的に解析するため、統合2次元PICコードを開発している。このコードの特徴は、ソースプラズマから加速器までの全ての領域を含み計算することである。つまり、最初にプラズマメニスカスの形状を仮定することなく、負イオンの軌道を自己矛盾無く追跡することができる。今回、メニスカスの端部から引出された表面生成負イオンがビームハロの一因であることが分かった。これらの負イオンはメニスカスの曲率により過収束されるが、引出部の静電レンズでは修正されず、結果としてハロを形成する機構が示唆された。

論文

Study of plasma meniscus formation and beam halo in negative hydrogen ion sources

奥田 晋*; 宮本 賢治*; 福山 俊茂*; 西岡 宗*; 畑山 明聖*; 深野 あづさ*; 花田 磨砂也; 小島 有志

AIP Conference Proceedings 1515, p.107 - 113, 2013/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:2.35

負イオン源中のプラズマ-ビーム境界であるメニスカスは、負イオンビーム光学に大きく影響することは明らかである。近年、メニスカスの形状によるビームハロが発生することが示唆されている。これは、曲率の大きい負イオン放出面によるものと考えられている。そこで、このプラズマメニスカスの形状とビームハロに対する負イオン生成率の関係をPICコードを用いて調べた。その結果、プラズマメニスカスは負イオンの量で形が決まるため、ビームハロ形成は表面生成された負イオンの量に強く依存することが分かった。

論文

Study of beam optics and beam halo by integrated modeling of negative ion beams from plasma meniscus formation to beam acceleration

宮本 賢治*; 奥田 晋*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 小島 有志

Applied Physics Letters, 102(2), p.023512_1 - 023512_4, 2013/01

 被引用回数:17 パーセンタイル:29.22(Physics, Applied)

負イオンビーム中にハロ成分が形成される物理機構の解明のため、表面生成で生成された負イオン軌道を計算する2次元PICコードを開発している。結果として、実際の負イオンビームにて観測されているハロ成分を再現することができた。このハロ成分はプラズマメニスカスの周辺部で曲率の大きい場所から引き出された負イオンが引き出し領域で過収束されるため発生することが示唆された。

論文

炉内トリチウム

上田 良夫*; 大宅 薫*; 芦川 直子*; 伊藤 篤史*; 小野 忠良*; 加藤 太治*; 川島 寿人; 河村 学思*; 剣持 貴弘*; 斎藤 誠紀*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 88(9), p.484 - 502, 2012/09

特定領域科研費「核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開」のレビューのうち第3章4節を執筆した。JT-60Uの30秒Hモード放電では外側ダイバータ板からの炭化水素の発生量が多いときに容器内に残留する水素量が増加することを示した。さらに外側ダイバータ板から発生した炭化水素がプラズマ中でどのような経路を輸送されるのかを調べるため、人為的に外側ダイバータから$$^{13}$$CH$$_{4}$$を注入する実験を行い、実験後にダイバータ・タイルを取り出しタイル上の堆積物を同定した。その結果、注入口のほぼ正面の内側ダイバータ・タイル上に$$^{13}$$Cが多量のHとともに検出された。この結果は、磁力線を横切った輸送が支配的であること、及び$$^{13}$$CとHが結合した形態で輸送された可能性が高いことを示しており、これらから中性の炭化水素、すなわち$$^{13}$$CH$$_{x}$$, x=1$$sim$$4の形態で外側ダイバータから内側ダイバータまで輸送されたと解釈される。

論文

Effect of non-uniform electron energy distribution function on plasma production in large arc driven negative ion source

柴田 崇統; 古賀 章二朗*; 寺崎 良*; 井上 多加志; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 土田 一輝; 梅田 尚孝; et al.

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02A719_1 - 02A719_3, 2012/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:81.78(Instruments & Instrumentation)

次世代大型核融合実験炉におけるNBI加熱用負イオン源では、一様性の高い大面積からのH$$^-$$ビームの引き出しが課題となっている。非一様性発現機構理解のための物理モデルとして、ビーム強度非一様性が(1)電子エネルギー分布関数(EEDF)非一様性、(2)(1)による水素原子(H$$^0$$),正イオン(H$$^+$$)生成分布非一様性、(3)PG表面へのH$$^0$$/H$$^+$$粒子束非一様性、(4)表面生成を介した水素負イオン生成分布非一様性によって生じることが提案された。しかし従来研究ではEEDFがプローブ測定から得られる2温度Maxwell分布で仮定されていたため、フィラメントから生成されるような高エネルギー電子の寄与を正確に取り入れていない。本研究では、実際の負イオン源形状,磁場配位を3次元的に模擬したMonte-Carloモデルを電子に適用し、局所的なEEDFを数値計算により求め、H$$^0$$/H$$^+$$生成分布を計算する。水素分子,原子密度($$n_{rm H2}=2.80times10^{19}$$m$$^{-3}$$,解離度0.1)を仮定した結果から定量的な生成分布が求められ、高エネルギー電子成分がH$$^0$$/H$$^+$$生成分布非一様性を強調する結果が示される。

論文

Numerical analysis of surface produced H$$^{-}$$ ions by using two-dimensional particle-in-cell method

宮本 賢治*; 奥田 晋*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02A723_1 - 02A723_4, 2012/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:52.5(Instruments & Instrumentation)

2次元PICシミュレーションを利用して負イオン源のモデリングと数値解析が進められており、今回プラズマ電極上に水素負イオンを発生させた場合の効果について調べた。自己矛盾のないPIC計算を行い、タイムステップあたりの負イオン発生量を増加させることにより負イオン電流密度を増加させると、負イオンと共に引出される電子電流が減少し、実際の負イオン源で発生している現象を再現することができた。さらに、プラズマ電極表面での準中性化は水素の正イオンと負イオンにより保たれていることが分かった。

論文

Inward pinch of high-Z impurity in a rotating tokamak plasma; Effects of atomic processes, radial electric field and Coulomb collisions

星野 一生; 藤間 光徳*; 清水 勝宏; 仲野 友英; 畑山 明聖*; 滝塚 知典

Nuclear Fusion, 51(8), p.083027_1 - 083027_6, 2011/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:73.97(Physics, Fluids & Plasmas)

The transport of high-Z impurity in a toroidally rotating tokamak plasma is investigated analytically and numerically. It is shown that the inward pinch is driven by the atomic processes of ionization/recombination along the particle orbit both in co- and ctr- rotating plasmas. This inward pinch is enhanced by the radial electric field. It is derived that the negative and positive radial electric fields cause the inward pinch and the outward movement (unpinch) of the high-Z impurity, respectively, under the influence of Coulomb collisions with the rotating background plasma. In the ctr-rotation case, the inward pinch becomes significant with increasing toroidal rotation velocity, because the directions of the both pinches are inward. On the other hand, in the co-rotation case, these pinches have opposite directions. Therefore, the unpinch due to the positive radial electric field is decreased by the inward pinch due to the atomic processes.

論文

Inward pinch of high-Z impurity due to atomic processes in a rotating tokamak plasma and the effect of radial electric field

星野 一生; 藤間 光徳*; 清水 勝宏; 仲野 友英; 畑山 明聖*; 滝塚 知典

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/03

トロイダル回転トカマクプラズマにおける高Z不純物輸送について解析的・数値的に調べた。トロイダル回転プラズマ中では、粒子軌道に沿った電離・再結合過程に起因して内向きピンチが回転の方向によらず起こることを示した。このピンチ機構は径電場により大きくなる。さらに、背景プラズマとのクーロン衝突を通して、外向き径電場の場合外向きピンチが、内向き径電場の場合内向きピンチがそれぞれ起こることを導いた。プラズマ電流に対して逆方向にトロイダル回転している場合、これらのピンチの向きは内向きであるため、高Z不純物の蓄積が起こる。一方、正回転の場合、外向き径電場に起因する外向きピンチは、電離・再結合過程に起因する内向きピンチにより緩和される。このような傾向は、JT-60Uで観測されたトロイダル回転に対するタングステン不純物の蓄積傾向と一致する。

論文

3D modeling of the electron energy distribution function in negative hydrogen ion sources

寺崎 良*; 藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 水野 貴敏; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 81(2), p.02A703_1 - 02A703_3, 2010/02

 被引用回数:18 パーセンタイル:29.01(Instruments & Instrumentation)

将来の核融合炉に向けた大型水素負イオン源の開発において、空間的に一様な負イオン生成を実現することは重要な課題の一つである。近年、原子力機構の10A負イオン源における実験で、イオン源内の電子エネルギー分布が空間的に非一様となること、及びその電子エネルギー分布により負イオン生成分布が空間的に非一様となることが明らかにされた。そこで、本研究の目的は、電子エネルギー分布の解析を行い、空間的に非一様な電子エネルギー分布形成の物理的機構を明らかにし、空間的に一様な負イオン生成の実現に資することである。この目的のため、われわれはモンテカルロ法を用いた空間三次元・速度空間三次元(3D3V)の電子エネルギー分布解析コードを開発した。このコードを用いて、JAEAの10A負イオン源を対象とした解析を行ったところ、実験で観測されたイオン源内の電子エネルギー分布の空間的非一様性を再現した。われわれの開発したコードは次世代負イオン源の設計に有力なツールとなりうる。

論文

核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開,3; 核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論及びシミュレーションコードの開発

大宅 薫*; 井内 健介*; 清水 勝宏; 滝塚 知典; 川島 寿人; 星野 一生; 畑山 明聖*; 藤間 光徳*; 冨田 幸博*; 河村 学思*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 85(10), p.695 - 703, 2009/10

平成19年度より採択された文部科学省科学研究費特定領域「核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開」の中の6研究項目の一つである「核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論及びシミュレーションコードの開発」に関して、研究目的,研究開発の現状及び今後の課題について述べる。特に、(1)炉内プラズマ中のトリチウム輸送と対向壁への蓄積と放出,(2)ダスト粒子の炉内プラズマ中の挙動とトリチウム蓄積,(3)プラズマ対向材料のトリチウム蓄積と放出にかかわるモデル構築,コード開発及びシミュレーションの現状を紹介する。

論文

Numerical analysis of incident angle of heavy metal impurity to plasma facing components by IMPGYRO

星野 一生; 藤間 光徳*; 古林 真彦*; 畑山 明聖*; 井内 健介*; 大宅 薫*

Journal of Nuclear Materials, 390-391, p.168 - 171, 2009/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:69.9(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合炉のプラズマ対向壁材料にタングステンを用いた場合、タングステン不純物の炉心混入と放射損失が問題となる。不純物の炉心混入量を予測評価するためには、自己スパッタリング率と反射率の評価が重要である。これらは、不純物粒子の固体壁への入射角に強く依存することが知られている。そこで、モンテカルロ不純物輸送コードIMPGYROを用いて、JT-60Uの接触及び非接触プラズマ分布を用いたタングステン不純物の輸送解析を行い、ダイバータ板への入射角度分布を調べた。その結果、入射粒子の価数に対応した幾つかのピークを持つ入射角度分布が得られた。これは、シース電場による壁垂直方向への加速が、入射粒子の価数に依存するためである。また、自己スパッタリング率及び反射率に対するシースの影響を調べた。接触プラズマ状態では、おもに、シース電場により入射角が変化したことに起因して、シース電場を考慮しない場合に比べて自己スパッタリング率が増大した。一方、非接触プラズマ状態では、反射が支配的であり、シース電場の影響はほとんどみられなかった。

論文

壁の前で何が起きているか?; プラズマの攻撃

畑山 明聖*; 滝塚 知典

日本原子力学会誌, 50(7), p.443 - 447, 2008/07

磁場を用いる核融合実験炉ITERの建設が始まった。その後、原型炉,実用炉へと続く。そこでは核融合炉の壁を構成する高熱流機器やブランケットが新しい主役となる。そこに、どのような物理的,化学的,工学的問題があるか。それらの問題に対する数値モデリングによる研究が期待されている。最初に、炉心プラズマと個体壁との間に位置する境界層プラズマに関する数値モデリングについて紹介する。境界層プラズマを総合的にシミュレーションする流体モデル,中性粒子と不純物に対するモンテカルロモデル及び境界層プラズマの基礎物理研究のための粒子モデルについて、それらの手法と興味深いシミュレーション結果を簡潔に解説する。

論文

壁の前で何が起きているか?; 物理モデル

畑山 明聖*; 滝塚 知典

日本原子力学会誌, 50(6), p.380 - 382, 2008/06

磁場を用いる核融合実験炉ITERの建設が始まった。その後、原型炉、実用炉へと続く。そこでは核融合炉の壁を構成する高熱流機器やブランケットが新しい主役となる。そこに、どのような物理的,化学的,工学的問題があるか。それらの問題に対する数値モデリングによる研究が期待されている。最初に、炉心プラズマと個体壁との間に位置する境界層プラズマに関する数値モデリングについて紹介する。

報告書

磁気フィルター付水素負イオン源における負イオンビーム空間的一様性の研究; セシウム添加型負イオン源内での負イオン生成・輸送過程が負イオンビーム強度分布に与える影響(共同研究)

高戸 直之; 戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

JAEA-Research 2008-031, 44 Pages, 2008/03

JAEA-Research-2008-031.pdf:4.05MB

セシウム添加型負イオン源から引き出された大電流密度負イオンビーム強度が空間的に非一様となるメカニズムを解明するため、JAEA10アンペア負イオン源内でのプローブ測定及び負イオンビーム強度測定を行った。実験結果を考察するため、レート方程式及び粒子(電子・原子・負イオン)軌道追跡を用いた数値解析を行った。その結果、(1)セシウムを導入して負イオンの表面生成反応を促進した状態では、体積生成時とは逆に高い電子温度の領域で高い負イオンビーム強度が得られることを明らかにした。レート方程式を用いた数値解析から、表面生成された負イオンは高速電子によって破壊される前に引き出されることが推定された。(2)1次電子はB$$times$$$$bigtriangledown$$Bドリフトによってイオン源内で局在化することを確認し、フィラメントの配置を改良して1次電子のドリフトを抑制することにより、負イオンビーム強度の空間的非一様性が改善されることを示した。

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