高速点火方式レーザー核融合におけるプラズマ加熱機構の解明と探求

快燃激光聚变等离子体加热机制的阐明与探索

基本信息

批准号：
20J10511
负责人：
東直樹
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高速点火方式レーザー核融合における加熱用レーザーを使った物質の加熱機構を明らかにすべく、プラズマ粒子シミュレーションコードを用いた理論的研究を行った。高速点火方式レーザー核融合の先行研究において、従来の物理モデルの予測を上回るエネルギー効率で爆縮コアプラズマが加熱されたこと、そして、その主な加熱過程が熱拡散過程であることが実験的に示唆された。しかしながら、この実験結果を説明できる物理モデルは存在せず、その加熱機構の詳細は明らかではなかった。本研究では、クーロン二体衝突過程を考慮した一次元プラズマ粒子シミュレーションを広いパラメータ領域で実行し、熱拡散過程が支配的になる機構やそのパラメータ依存性を説明できる新しい物理モデルを構築した。この物理モデルは、レーザー光吸収領域におけるプラズマの時間発展を考慮することで、高密度プラズマ内部においてピコ秒の時間スケールで高速な熱拡散が生じること、また、その伝播速度が時間によらず一定であることを説明する。さらに、自己生成磁場の効果も確認すべく大規模並列計算を駆使した二次元シミュレーションも行った。本研究結果は、相対論的高強度レーザー光を用いた固体加熱や高速点火方式レーザー核融合に対して、「高速熱拡散」という新しい物理的描像をもたらした。構築した新しい物理モデルは、今後の実験デザインに対して指針を提示するものであり、将来の核融合発電に向けた研究開発に資する。また、10ピコ秒スケールでのレーザープラズマ相互作用による高速電子ビーム発生機構については、ポンデロモーティブスケーリングを超える高速電子の超熱的成分の増加・減少とレーザープラズマ相互作用面におけるプラズマの噴き出しの有無に相関があることを示唆する結果を得た。縮退プラズマ中のエネルギー輸送については、超高密度領域計算のためのコード修正とテスト計算を行った。

为了阐明使用激光在高速点火激光融合中加热材料的加热机理，使用血浆颗粒模拟代码进行了理论研究。在先前对高速点火激光融合的研究中，通过实验表明，内爆的核心等离子体的加热，能量效率超过了常规物理模型的预测，并且主要的加热过程是热扩散过程。但是，没有物理模型可以解释该实验的结果，而且其加热机制的细节尚不清楚。在这项研究中，考虑到库洛姆斯的碰撞过程的一维等离子体颗粒模拟是在广泛的参数上进行的，并构建了一个新的物理模型，可以解释热扩散过程主导及其参数依赖性的机制。该物理模型解释说，通过考虑到激光吸收区域中血浆的时间演变，高速热扩散发生在高密度等离子体内的Picsecond Time尺度上，而其繁殖速度是恒定的。此外，我们还使用大规模平行计算进行了二维模拟，以确认自生磁场的影响。这项研究结果为使用相对论的高强度激光和高速点火激光融合提供了一种新的物理图像，称为“快速扩散”，用于固态加热。构建的新物理模型将为未来的实验设计提供指南，从而为未来的核融合发电提供了研究和开发。此外，对于10秒尺度上激光血浆相互作用引起的高速电子束生成机制，结果表明，高速电子超过硫化量的高速电子成分的增加与减小之间存在相关性，并且在激光量表上的存在或在激光层表面上的血浆弹药量表的存在或不存在。对于退化血浆中的能量传输，对超高密度区域计算进行了代码修改和测试计算。