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平行強磁場中での
レーザー・プラズマ相互作用に関する
PICシミュレーション
大阪大学
電気電子情報工学専攻
レーザーエネルギー学研究センター
田中勇気
研究概要
加熱効率
レーザー
現在(電子を用いる)
超強磁場
本研究(直接加熱)
大小
加熱方法
プラズマ中での
レーザーの伝播特性
反射
臨界密度を超えると、
レーザーは侵入できない。
磁場によって特性が変化
プラスチックor金
加熱 点火
レーザー照射
燃料球
高密度
プラズマ化
レーザー核融合(高速点火方式)
燃焼圧縮
プラズマ
燃料球の直接加熱を目指す
研究手法
一次元PIC(Particle-In-Cell)
シミュレーション
仕組み
計算モデル
一様プラズマ
レーザー
磁場
変更パラメータ
①プラズマ密度
②磁場強度
③レーザー強度
シミュレーション内容
測定
①透過率
②吸収率
イオン
電子
格子点
速度
位置
電流密度
電磁場
特に平行磁場を用いた時の複雑な相互作用を解明する
これまでの成果と今後の課題
・超強磁場をかけることによって、
レーザーが臨界密度を超えて
プラズマに侵入することを確認。
・レーザーからプラズマへのエ
ネルギーの受け渡しのメカニズ
ムを解明した。
これまでの成果
・2次元シミュレーションの
プログラムの作成とそれを
用いた解析
・2次元空間において、高密
度プラズマの直接加熱が可
能かを検証
今後の課題
レ
ー
ザ
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の
プ
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ズ
マ
透
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率
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ザ
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プ
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ズ
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へ
の
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ネ
ル
ギ
ー
吸
収
率
プラズマの密度 n
プラズマの密度 n
磁
場
logB
磁
場logB
臨界密度
臨界密度を超えて
プラズマに侵入

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技術資料

Editor's Notes

  1. 私たちの研究センターではレーザー核融合で高速点火方式と呼ばれる方式での核融合を目指しています。 核融合では燃料球を高密度に圧縮し、高温に加熱することが求められます。 この二つを別々のプロセスで行うことを高速点火方式と言います。 燃料球にレーザーを照射すると、燃料球の表面がプラズマ化して膨張し、反作用で内部の燃料が高圧縮されます。 このプラズマの特性として、この図のように、臨界密度と呼ばれる密度を超えたプラズマにレーザーは侵入できないといった現象が起こります。 そのため、現在の主流はレーザーを図で示すような点火用の金などに照射して飛び出してきた電子を介して加熱する方法で行われています。 この方法は電子が四方へ拡散するために効率が悪いのが現状です。 そこで、本研究では、超強磁場とレーザーを用いることによって、高密度プラズマとなった燃料球を効率よく直接加熱できないかということを研究しています。 大阪大学ではレーザー核融合で高速点火方式と呼ばれる方式での核融合を目指している。 核融合は高密度と高温が求められるが、この二つを別々のプロセスで行うというのが高速点火方式というものです。 プラズマの特性として、ある密度を超えたプラズマにレーザーは侵入できないという特性があります。 燃料球は圧縮時に高密度のプラズマになるため、現在はレーザーを物質に当てて出てきた電子を用いて加熱が行われています。 この方法は電子が拡散するために、効率が悪くうまくいっていないのが現状です。 そこで、本研究では超強磁場とレーザーを用いることによって、高密度プラズマを効率良く直接加熱できないかということを研究しています。
  2. 研究内容としてはレーザーに平行な磁場をかけた一様なプラズマにレーザーを照射し、その相互作用によって何が起こるのかといったことシミュレーションし、それを解明することが目的になります。 そのための研究の手法としてPICシミュレーションと呼ばれるシミュレーション方法を用いています。 簡単に仕組みを説明すると、まず、格子点という点で計算領域を小さく区切ります。格子点では電磁場を計算します。 そして、その電磁場を用いてイオンと電子のプラズマの粒子の位置や速度など計算されていきます。移動した粒子によって変化した電磁場をまた格子点の値として更新していくことがPICシミュレーションとなります。 本研究で実施したことは磁場をかけた一様なプラズマに対してレーザーを照射するというシミュレーションを行いました。 プラズマ密度や磁場強度を変化させながら、大量にシミュレーションを行い、出力されたデータを処理して、透過率や吸収率などを計算しています。
  3. 右の図はプラズマの密度を横軸にとり、縦軸に磁場をとって、透過率と吸収率を示した図ですが、なぜこのような模様になるかについての理解がほぼできたというところです。 今後の課題としては、今のシミュレーションが1次元であるので、それを2次元に拡張して、より一層現実に即したシミュレーションを行うことが目標になります。また、最終目標としては、高密度のプラズマをレーザーで直接加熱するという目標があります。これが実際に可能なのかを二次元シミュレーションにおいて検証することが課題となります。