[論文レビュー] PIC simulation of particle behavior in an Inertial Electrostatic Confinement Fusion device using XOOPIC code

D. Bhattacharjee, S. Adhikari+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2020

Fusion and Plasma Physics Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、オープンソースのXOOPICコードを用いて、円筒形インパルス電場閉じ込め核融合（IECF）装置におけるイオンの運動を運動論的粒子-場（PIC）シミュレーションで行い、コア部で最大10¹⁶ m⁻³のイオン密度と複数のポテンシャル井戸の形成を明らかにした。シミュレートされたイオンエネルギー分布関数およびプラズマポテンシャルプロファイルは実験データと一致し、モデルの妥当性が裏付けられ、IECF放電パラメータの最適化に貢献した。

ABSTRACT

The kinetic analyses are quite important when it comes to understand the particle behavior in any device as they start to deviate from continuum nature. In the present study, kinetic simulations are performed using Particle-in-Cell (PIC) method to analyze the behavior of ions inside a cylindrical Inertial Electrostatic Confinement Fusion (IECF) device which is being developed as a tabletop neutron source. Here, the lighter ions, like deuterium are accelerated by applying an electrostatic field between the chamber wall (anode) and the cathode (cylindrical gridded wire), placed at the center of the device. These ions recirculate across the cathode grid, which in turn capable of producing fusion reaction at the central region of the device. An open source PIC code (XOOPIC) is used in our study to simulate the ion dynamics at different experimental conditions. The plasma potential profiles obtained from the simulated results indicate the formation of multiple potential well structures inside the cathode grid depending upon the applied cathode potential (from $-1$ to $-5~kV$). The ion density at the core region of the device is found to be of the order of $10^{16}~m^{-3}$, which closely resembles the experimental observations. Spatial variation of Ion Energy Distribution Function (IEDF) has been measured in order to observe the characteristics of ions at different cathode voltages. Finally, the simulated results are compared and found to be in good agreement with the experimental profiles. The present analysis can serve as a reference guide to optimize the technological parameters of the discharge process in IECF devices.

研究の動機と目的

• 異なる電界条件下におけるインパルス電場閉じ込め核融合（IECF）装置内でのイオンの運動論的挙動を理解すること。
• 粒子-場法を用いて、円筒形IECF構造におけるイオンの再循環および閉じ込めダイナミクスをモデル化すること。
• 実験的観測結果と照合することで、シミュレートされたプラズマポテンシャルおよびイオン密度プロファイルの妥当性を検証し、デバイス最適化を図ること。
• さまざまなカソード電圧におけるイオンエネルギー分布関数（IEDF）の空間的変化を分析すること。
• 運動論的シミュレーションを用いて、IECFデバイスの技術的パラメータを最適化するための基盤フレームワークを提供すること。

提案手法

• 中央にカソードグリッドを有する円筒形IECFデバイスにおけるイオンダイナミクスを、オープンソースのXOOPICコードを用いてシミュレートする。
• デュテリウムイオンを加速し、再循環を誘発するために、カソードに-1 kVから-5 kVの電界を印加する。
• イオンの軌道と電荷蓄積を追跡し、プラズマポテンシャルプロファイルおよびイオン密度分布を計算する。
• イオンエネルギー分布関数（IEDF）をさまざまな径方向位置で計算し、イオンエネルギー特性を評価する。
• 運動論的プラズマ挙動を記述するため、自己自己整合的ポアソン方程式およびマクスウェル方程式をPIC法で解く。
• 異なるカソード電圧におけるシミュレーション結果と実験データを照合し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IECFデバイスにおいて、カソード電圧を変化させた際に、カソードグリッド内部に複数のポテンシャル井戸構造がどのように形成されるか？
• RQ2 さまざまな印加電圧下におけるコア領域におけるイオン密度の空間的分布はいかなるものか？
• RQ3 カソード電圧を-1 kVから-5 kVに変化させた際、径方向に沿ったイオンエネルギー分布関数（IEDF）はどのように変化するか？
• RQ4 シミュレートされたプラズマポテンシャルおよびイオン密度プロファイルは、実験測定値とどの程度一致するか？
• RQ5 XOOPICを用いた運動論的シミュレーションは、IECF中性子源の性能指標を正確に予測できるか？

主な発見

• カソード電圧を-1 kVから-5 kVに増加させることで、カソードグリッド内部に複数のポテンシャル井戸構造が形成され、井戸の深さも増加する。
• コア領域におけるイオン密度は約10¹⁶ m⁻³に達し、実験的観測結果とよく一致する。
• イオンエネルギー分布関数（IEDF）には顕著な空間的変化が見られ、デバイス半径に沿ってエネルギー依存のイオン挙動が示唆される。
• シミュレートされたプラズマポテンシャルプロファイルは、試験電圧範囲全域で実験データと良好な一致を示す。
• シミュレートされたイオンダイナミクスおよびエネルギー分布は、実験的プロファイルとよく一致し、XOOPICを基盤とするモデルの妥当性が裏付けられる。
• 本研究は、中性子出力の向上を目的としたIECFデバイスの放電パラメータ最適化に向けた検証済みのシミュレーションフレームワークを提供する。