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。

为了阐明快燃激光聚变中使用加热激光的材料加热机制，我们使用等离子体粒子模拟代码进行了理论研究。在快燃激光聚变的初步研究中，实验表明，内爆核心等离子体的加热能量效率超过了传统物理模型的预测，并且表明主要的加热过程是热扩散。然而，没有物理模型可以解释这一实验结果，并且加热机制的细节尚不清楚。在这项研究中，我们进行了一维等离子体粒子模拟，在宽参数范围内考虑了库仑二体碰撞过程，并构建了一个新的物理模型，可以解释热扩散过程占主导地位的机制和其参数依赖性。该物理模型考虑了激光光吸收区域等离子体的时间演化，并表明高密度等离子体内部在皮秒时间尺度上发生高速热扩散，并且传播速度与时间无关解释一下。此外，为了确认自生磁场的影响，我们还使用大规模并行计算进行了二维模拟。这项研究成果为利用相对论高强度激光和快点火激光聚变进行固态加热提供了“快速热扩散”的新物理图景。构建的新物理模型将为未来的实验设计提供指导，并将有助于未来聚变发电的研究和开发。关于10皮秒尺度的激光-等离子体相互作用产生高速电子束的机制，我们还研究了超过有质动力标度的高速电子的超热成分的增加/减少，以及是否存在我们得到的结果表明，激光-等离子体相互作用表面上存在相关性。针对简并等离子体中的能量传输，我们修改了超密区计算的代码并进行了测试计算。