窒素-水素複合ガス入射による非接触プラズマ形成過程の解明

氮氢复合气体注入非接触等离子体形成过程的阐明

基本信息

批准号：
22H01198
负责人：
江角直道
金额：
$ 11.48万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

プラズマとガスとの相互作用によりダイバータ領域に形成される非接触プラズマの挙動の理解とその制御方法の確立は、磁場閉じ込め核融合炉の実現に不可欠なダイバータ板への熱粒子負荷低減、炉心プラズマとの整合性の観点において解決すべき重要な課題である。窒素・水素の複合ガス入射に伴う、窒素分子と水素分子が介在するプラズマ再結合過程は水素分子のみが介在する再結合過程よりも高い反応レートを有することから非接触プラズマ制御への期待が高い。そこで本研究では水素ガスおよび窒素ガスとプラズマの相互作用に焦点をあて、物理化学的な原子分子反応過程を詳細に調べ、それらが非接触プラズマ形成とその時空間構造に与える影響を明らかにすることを目的としている。2022年度は、水素-窒素ガス重畳入射による非接触プラズマの時空間構造非接触プラズマを形成するため、V字ターゲットを有するGAMMA10/PDXダイバータ模擬モジュールにおいて、4波長の空間分布を同時に計測可能な光学系（４分岐光学系アルバプリズム）を組み込んだ高速度カメラを導入し、高い時空間分解能での観測を実現した。分子活性化再結合過程で特徴的な振る舞いを示す水素バルマー線のHα(656nm)とHβ(486nm)、窒素分子第１正帯, 窒素原子の波長に注目し、各波長の発光強度分布の比を取るなど詳細な解析を行なった。水素ガスのみを入射した場合は、水素分子の介在するによる分子活性化再結合(H-MAR)がV字ターゲットに挟まれた領域を起点として時間とともにその範囲が広がることを示唆する結果を得た。また、窒素ガスと水素ガスの重畳入射時にはH-MAR が抑制されるものの、電子密度は水素ガスのみを入射した場合と比べてV字ターゲット中央部でも大きく低下することがマイクロ波干渉計による観測から明らかになり、窒素分子の介在した再結合過程が重要な役割をしていることを明らかにした。

了解由于等离子体和气体之间的相互作用而在偏滤器区域中形成的非接触等离子体的行为并建立控制方法将有助于减少偏滤器板上的热粒子负载，这对于实现磁约束聚变反应堆至关重要，并减少核心等离子体，这是从一致性角度需要解决的重要问题。由于注入氮/氢复合气体而涉及氮和氢分子的等离子体复合过程比仅涉及氢分子的复合过程具有更高的反应速率，因此非接触等离子体被寄予厚望控制。。因此，在本研究中，我们将重点关注氢气和氮气与等离子体之间的相互作用，详细研究物理化学原子和分子反应过程，并阐明它们对非接触等离子体形成及其时空结构的影响。目的是在2022财年，我们将开发一种光学系统，可以在具有V形目标的GAMMA10/PDX偏滤器模拟模块中同时测量四个波长的空间分布，以便通过以下方式形成非接触时空结构非接触等离子体：引入了采用四分支光学系统（阿尔巴棱镜）的叠加氢气-氮气注入高速相机，以实现高时空分辨率的观测。我们重点关注氮分子第一法向带和氮原子在分子活化复合过程中表现出特征行为的氢巴尔默线Hα（656 nm）和Hβ（486 nm）的波长，并计算了对各波长的发射强度分布进行了详细分析，包括以下内容。当仅注入氢气时，我们得到的结果表明，由于氢分子的介入而导致的分子活化重组（H-MAR）从V形靶之间的区域开始并随着时间的推移而扩展。此外，虽然当以叠加方式注入氮气和氢气时H-MAR受到抑制，但如使用微波观察到的，即使在V形靶的中心，电子密度也明显低于仅注入氢气时的电子密度。很明显，氮分子介导的重组过程起着重要作用。