MHDと不安定性

2次元トムソン散乱計測による球状トーラス合体立上げの電子加速・加熱機構解明

代表 小林 正陽新領域創成科学研究科

核融合炉初期プラズマの効率的な加熱立ち上げ手法として、磁気リコネクション（磁力線再結合）を利用したプラズマ合体加熱法が提案されている。磁気リコネクションとは、プラズマ中で反平行の磁力線が接近した際に繋ぎ変わり、磁場のエネルギーがプラズマを構成するイオン及び電子の運動・熱エネルギーに変換される現象である。本研究は、当現象における電子の挙動・加熱の詳細な機構を明らかにすることを目的とし、電子温度Te , 電子密度neの2次元トムソン散乱計測を主軸としたトーラスプラズマ合体実験、結果解析、更なる計測装置の改良や開発などを行うものである。

高精度二次元磁気計測による球状トカマク合体立ち上げの緩和過程解明と安定維持

代表 田中 瑞己新領域創成科学研究科

磁気エネルギーがイオン・電子のエネルギーへ変換される磁気リコネクション現象を応用して急速に高温プラズマを立ち上げる手法である球状トカマク合体立ち上げについて，核融合炉運転への接続に必要となる安定維持オペレーションを実験装置TS-6で開発する。二次元高精細磁気計測をはじめとする各種計測を駆使して合体後の配位形成過程・緩和過程を検証し，最終的に合体立ち上げで生成した高温球状トカマクの閉じ込めを安定に維持する手法の確立を目指す。

球状トカマク合体立ち上げにおける荷電粒子加熱効率向上手法の研究

代表 鈴木 大樹新領域創成科学研究科

経済的な核融合炉実現に向けた球状トカマクプラズマの合体立ち上げ手法では、磁気リコネクション現象を利用し、磁場のエネルギーを荷電粒子の運動エネルギーに変換する。本研究課題ではUTST実験装置において、リコネクション下流での荷電粒子の受ける電磁場を電流フィラメント注入による境界条件変化によって制御し、電場による直接加速を通じて、高エネルギーテールの速度分布を向上、合体生成後のSTプラズマの性能向上を図る。最終的に総投入エネルギーやイオンや電子の非等方的速度分布の計測結果などを通じて、本手法と外部加熱手法との有用性比較や大規模装置への適用可能性の検討を行う。

無衝突プラズマ実験環境における合体生成球状トカマクの加速・加熱構造形成現象の解明

代表 田辺 博士新領域創成科学研究科

本国際共同研究課題では太陽フレア等爆発的エネルギー開放現象の基盤物理として知られる、磁力線再結合(磁気リコネクション)を介したエネルギー開放現象について、二流体・運動論効果の発現を伴う磁気リコネクションを介した粒子加速・加熱による大域的構造形成現象の解明に着手する。球状トカマク合体生成実験装置TS-6を用いた東京大学学内でのリコネクション実験に加え、高エネルギー実験条件の極限として、前進となる20KK0062で球状トカマク合体生成シナリオ開発の連携を確立したトカマクエナジーST40実験と連携し、高温・無衝突プラズマ実験環境における磁気リコネクションの粒子加速・加熱構造形成現象の解明に取り組む。

合体生成球状トカマクにおけるポロイダル非対称性を有する大域的構造形成現象の解明

代表 田辺 博士新領域創成科学研究科

本研究課題では、太陽フレア等の基盤物理として知られる磁気リコネクション(磁力線のつなぎかわり)を介した爆発的なエネルギー解放現象を通じて、磁力線がつなぎかわるX点近傍の微細領域を起源として、粒子加速・加熱・輸送過程を経て大域的構造が形成される現象の実験的解明に取り組む。とりわけ、近年東京大学TS-6装置の球状トカマク合体生成実験で新しく発見された、シミュレーション予測と逆極性の高電位領域に高イオン温度分布が現れ、プラズマ科学の新しいフロンティアとして注目を集めているガイド磁場(反平行な磁場が形成する平面に垂直な磁場)の極性に依存した大域的回転現象に着目し、解明に必要な研究基盤の整備を実施する。

軟X線マルチ画像計測による磁気リコネクションの高エネルギー電子発生機構の解明

代表 竹田 慎次朗工学系研究科

磁場のエネルギーがイオン・電子の運動エネルギーに変換される磁気リコネクション現象における電子の加速・加熱機構について、実験装置TS-6における球状トカマク合体実験を通じて検証する。本研究では、電子が放出する制動放射光の画像計測を軟X線領域で行うことで高エネルギー電子の空間分布を測定する手法を発展させ、異なるエネルギー帯での同時測定によるエネルギー分布の推定や多視点からの計測による３次元分布計測を実現する。開発したシステムを用いた実験によって、理論的に予測されるさまざまな電子エネルギー付与機構の実験的検証を行う。

トカマク合体実験とシミュレーションを融合した超高出力リコネクション加熱の最適化

代表 田辺 博士新領域創成科学研究科

本研究では、太陽フレア等の爆発的エネルギー開放現象の基盤物理である磁力線のつなぎかわり(磁気リコネクション)に伴う巨大加熱を、球状トカマク方式核融合プラズマの効率的生成法として応用する東京大学TS-6実験および、英国トカマクエナジーST40実験と連携した実験研究を推進する。受け入れ外国人特別研究員であるTara Ahmadi博士が得意とする、数値シミュレーションに基づく運転シナリオ改善の提案を進めるとともに、MHD-FIT法による非侵襲磁気計測応用をTS-6実験だけでなくST40実験にも応用して現状の合体加熱運転の課題を精査し、超高出力リコネクション加熱実験の最適化に取り組む。

速度分布関数の直接計測による磁気リコネクション現象のエネルギー変換機構の解明

代表 染谷 諒新領域創成科学研究科

本研究課題では、磁気エネルギーがイオンのエネルギーに高速変換される磁気リコネクション現象において、磁気圏観測やシミュレーションにより提案されている非熱平衡状態の速度分布関数を持つイオン加速・加熱効果を、従来イオン温度・流速計測に用いられてきたドップラー分光法を発展させた新たな計測法の開発、本研究室の球状トカマク合体実験装置TS-6で発生させた磁気リコネクションを対象とした計測を通して検証し、磁気リコネクションのイオン加速・加熱機構を明らかにすることで、世界最大の球状トカマク合体実験装置である英国ベンチャートカマクエナジー社のST-40装置との共同実験でプラズマ合体加熱効率最大化に貢献する。

高ガイド磁場下での磁気リコネクション時の電子加熱機構の解明と制御手法の開発

代表 井 通暁新領域創成科学研究科

天体プラズマや核融合プラズマといった高導電率磁化プラズマ中の大域的な構造形成とエネルギー変換をもたらす磁気リコネクション現象について、特にリコネクション磁場に直交する磁場成分（ガイド磁場）が存在する場合の電子加速・加熱のメカニズムとして予想されている電場直接加速機構と一次フェルミ加速に類する機構の発現・抑制メカニズムを実験的に検証し、その効率を外部から制御する手法を確立して応用に結び付けようとするものである。

摂動磁場によるホイッスラー波制御と高温電子排出による遁走電子抑制の探究

代表 齋藤 晴彦新領域創成科学研究科

磁場閉じ込めプラズマにおける存続時間及び突発破壊現象の統計的因果探索

代表 山田 弘司新領域創成科学研究科

本研究の目的はデータ駆動型アプローチにより、磁場閉じ込めプラズマの挙動について、要素還元によるモデル化や統計回帰解析による帰納的な推定を越えた発見的な仮説を提案することである。非平衡状態の存続時間及びその存続を突発的に破壊する現象の予知に焦点を当てる。統計的因果探索を機械学習を軸として進め、突発破壊現象の予知につながる仮説を導く。その仮説のモデル化により安定な運転制御の提案を行う研究である。

共鳴磁場摂動による周辺乱流バーストの抑制機構の解明

代表 西村 征也那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究開発部

トカマク型核融合炉の実現には、周辺乱流バースト(ELM)による激しい熱負荷の制御が鍵を握る。近年、共鳴磁場摂動(RMP)の印加によってELMが抑制されることが多くの装置で観測されているが、その物理機構は未解明である。本研究では、申請者が開発した簡約化二流体コードR2Fを基盤とし、RMPによる磁気島形成からELM抑制に至る非線形過程を統合的に解析する。RMPに伴う圧力平坦化、乱流特性の変化、密度吐き出しがどのように組み合わさりELM抑制に寄与するかを明らかにする。得られた成果は、DIII-DやJT-60SAでの実験解釈と予測に資するとともに、プラズマ乱流の普遍的理解を前進させる。

トカマクプラズマにおける輸送と結合した突発的崩壊現象の発現機構の解明

代表 瀬戸 春樹那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究開発部

将来の核融合炉では、高い性能を安定的に維持する運転方式が求められる一方で、突発的に発生する熱の放出（ELM）が装置に大きな負担を与えることが課題となっている。本研究では、このような急激な熱放出が生じる仕組みについて、輸送を伴う複数のELM実験観測と大規模な数値計算とを比較することで明らかにする。核融合炉の安定した運転の実現に向けて、基礎的理解を深めるとともに、熱放出の抑制につながる知見を得ることを目的とする。

電子サイクロトロン補助共鳴磁場摂動印加による実時間ELM抑制の手法の開発

代表 高 竜太那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

トカマク型核融合プラズマの燃焼運転時には閉じ込め性能が高いHモード運転が標準とされているが，同時に間欠的な熱放出を繰り返し引き起こす突発崩壊が発生する.この崩壊に耐えうる核融合炉材料は現状見つかっておらず，将来の炉では克服すべき課題である．共鳴磁場摂動(RMP)印加法は突発崩壊の抑制に効果的であるが，閉じ込め性能の劣化とプラズマ崩壊の危険性も孕む.本研究では電子サイクロトロン(EC)補助RMP印加法による突発崩壊の物理を解明し適応制御を提案する. EC波の入射角・パワーがどのように依存し，RMP印加を最小化できるかを数値的・実験的に明らかにし，適応的な実時間制御手法を構築する．

ベイズ推定を用いたペデスタル安定性の高精度解析

代表 秋光 萌那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

本研究は、核融合プラズマのペデスタル領域における不安定性の発生予測精度を向上させることを目的とする。具体的には、様々な計測器から得られる計測データとモデルの不確実性をベイズ推定手法により統合的に定量化し、その結果に基づいて複数装置での大規模なデータ解析を行う。これにより、現行のピーリング・バルーニングモデルが予測する安定性と実験結果とのギャップを明らかにし、実験に合うようなモデルの較正方法の開発や、モデルに含まれていない物理現象の影響を推定する。得られた知見を基に、将来の核融合装置におけるELM抑制やペデスタル制御のために必要な計測精度の要件やモデルの改善点を明確にすることを目指す。

核融合炉における多重結合による複数磁気島の形成及び抑制制御の選択則の研究

代表 小島 信一郎那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

トカマクプラズマの崩壊の一要因に、プラズマが有限抵抗を有することで、複数の特異点上に磁気島(複数磁気島)が形成されることで生じる多重磁気面破壊がある。この複数磁気島の形成は、サイドバンドによる線形的な結合や磁気島同士の非線形結合の組み合わせにより生じ、それらの多重結合は物理的に未解明である。近年、ITERのシナリオでは三波結合による複数磁気島の形成がプラズマ崩壊の要因となることが報告され、多重結合の物理的理解と、複数磁気島の抑制制御がなされない限り、ITER及び核融合炉は実現できない。本研究では、複数磁気島が発生・消滅する際の多重結合を理解し、その複数磁気島抑制制御手法を検討・提案を行う。

核融合プラズマの実時間制御に向けた時系列モデルに基づくディスラプション予知

代表 横山 達也那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

核融合炉心プラズマが突発的に崩壊するディスラプション現象の影響緩和のために，不純物を入射してプラズマを冷却する手法が取られる．本研究では，ディスラプションの発生を予知するデータ駆動的手法を開発し，不純物入射をトリガするシステムを構築する．異常検知の手法を活用し，未知の実験装置・実験条件でも適用できるような外挿性の高いディスラプション予知を目指す．さらに，作成したモデルを用いてディスラプション緩和システムを構築し，JT-60SAの実験において性能評価を行う．

経済性を有する核融合炉に向けたELM抑制と高プラズマ圧力を両立する運転状態の開発

代表 相羽 信行那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

磁場閉じ込め核融合炉で、エッジローカライズドモード（ELM）を抑制しつつ高いプラズマ圧力を安定に維持しうる運転状態（WPQH-mode）について、同運転状態時に観測される電磁揺動（QCM）の発生原因を同定する数値解析研究を行う。WPQH-modeの実験データを用いた定量解析を実施してQCM発生条件の鍵となる物理効果を解明する。並行して、WPQH-modeのプラズマ圧力を安定に高める方法を検討し、既存実験装置での実証実験を提案・実施する。これらの結果を基に、核融合原型炉でのELM抑制運転と高いプラズマ圧力を両立した運転状態を検討し、経済性を有する核融合炉の実現に向けた指針を得る。

適応的なプラズマ制御手法の開発

代表 井上 静雄那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

今後の核融合プラズマ研究で、従来型の装置と大きく異なる点は高性能なプラズマを長時間維持する事が求められる点である。本研究では1ショットでプラズマの崩壊を回避しながら様々なプラズマの性質をオンラインで学習し最適な放電計画に獲得する、適応制御手法の開発を目指す。特に、プラズマ高性能化を阻む不安定性：抵抗性壁モードに対し、新たなモード再構築手法とそれに必要な高速の渦電流計算手法を開発し、不安定性をオンラインで学習しながら制御・回避する、適応制御手法を開発する。

核融合炉における高ベータ化と境界プラズマ自己構造形成に関する研究

代表 浦野 創那珂研究所 先進プラズマ研究部

トカマク実験においては、閉じ込め時間は水素同位体質量に対して正の依存性を持つことが経験的に知られている。そこで、本研究では、軽水素・重水素の高閉じ込めモードでは重水素プラズマの周辺部が高い圧力を持つことに着目し、重水素時に周辺部が安定化する原理を解析した。重水素プラズマでは、コア部の温度勾配に起因する微視的不安定性が抑制されるため、高い圧力が得られる。従って、プラズマコア部の改善による高プラスマ圧力化による磁気軸シフトが発生し、周辺プラズマ部のMHD不安定性が改善したため、高い周辺部圧力が得られることが分かった。本研究により、高ベータ化と境界プラズマ自己構造形成との関係を示す実験的証拠を得た。

金属壁を持つ核融合炉でのエッジローカライズモード抑制に関する研究

代表 相羽 信行那珂研究所 先進プラズマ研究部

研究代表者が開発した線形拡張電磁流体不安定性解析コードを改良し，これを用いて「閉じ込め改善運転モードで発生する周辺局在不安定性（エッジローカライズドモード）の抑制」を実現する運転モードであるQH-modeが得られる運転領域を世界で初めて同定した．また，同領域の拡大には「速いプラズマ回転」と「高いプラズマイオン温度」が重要であることを明らかにし，金属壁を持つ核融合炉でも，既存実験装置と同程度の回転速度とイオン温度が維持できればQH-modeによるエッジローカライズドモードが抑制された高閉じ込め運転が実現しうることを示した．

高性能強負磁気シアプラズマの不安定性の研究

代表 武智 学那珂研究所 トカマクシステム技術開発部

強負磁気シアプラズマは世界最高性能を達成するほどの非常に高い閉じ込め性能を持ち、その高い自発電流割合により、プラズマ電流の定常化にも大きなアドバンテージを持つ上に、核融合炉の実現化に向けて非常に重要な、装置の小型化にも大きく貢献する非常に魅力的なプラズマである。しかしながら、プラズマの小崩壊や崩壊が頻発するため、将来の実証炉や核融合炉における有効な運転シナリオとは考えられていない。これらの崩壊は通常起こり得ない低圧力時にも頻発していたが、本研究によってこれらの発生原因の説明が可能としする領域が拡大された。

内部磁場直接計測に基づく磁化高温プラズマでの磁気島形成機構の研究

代表 武村 勇輝研究部

核融合では、磁場を用いて高温のプラズマを閉じ込めるが、その磁場構造が乱れると「磁気島」と呼ばれる特徴的な構造が生じ、エネルギー閉じ込め性能の低下や不安定化を引き起こす。しかし、プラズマ内部の磁場は直接観測が難しく、その発生過程や前兆は十分に解明されていない。本研究では、レーザー光を用いた非接触計測と、限られた観測データから内部構造を再現する新しい解析手法を組み合わせることで、磁場構造を高精度に可視化し、磁気島形成の仕組みの解明と事前検知・制御技術の確立に貢献する。

拡張対称性とクレブシュ表現で解明するヘリカル型プラズマ閉じ込め装置の平衡と安定性

代表 佐藤 直木研究部

近年、非対称モデルの理論構築が物理学の重要課題となっており、核融合プラズマでも保存量を伴う「拡張対称性」に基づく解析が注目されている。本研究では、微分幾何学と葉層構造の概念を取り入れたクレブシュ表現を用いて方程式を簡素化し、非対称プラズマ平衡状態の存在証明と新たな数値スキームを提案し、炉設計の最適化に貢献する。

環状磁場閉じ込めプラズマにおける外部印加共鳴摂動磁場の伝搬特性の研究

代表 渡辺 清政研究部

小型トカマク装置Hybtok-II(名古屋大学)を使って、外部共鳴摂動磁場のプラズマ中の伝搬特性を計測し、外部摂動磁場が入れ子状の環状磁気面に閉じ込められたプラズマ中の伝搬特性がプラズマの抵抗値やプラズマと外部摂動磁場の回転周波数の差により変化する様子を調べ、既に提唱されている理論モデルの妥当性の検証や改良を行う。その際、アンサンブル平均数の増加により高相関の外部摂動磁場分布を取得するため、磁場配位とプラズマ密度のフィードバック制御システムを構築し、再現性の高い放電実験を遂行する。

運動論的MHDシミュレーションで探求するヘリカルプラズマのベータ値限界

代表 佐藤 雅彦研究部

大型ヘリカル装置(LHD)では、高圧力プラズマの保持に成功している。しかしながら、プラズマを流体としてみなした磁気流体力学(MHD)モデルでは、その保持メカニズムを説明できず、運動論効果、すなわち、個々の荷電粒子の運動の効果の重要性が指摘されている。本研究は、イオンの運動論的効果を取り入れた運動論的MHDシミュレーションにより、LHDで見られる高圧力プラズマの保持メカニズムの詳細を明らかにするとともに、さらなる高い圧力を持つ高性能プラズマを探求する。

圧力非等方度が交換型MHD不安定性の安定化に与える影響の実験的研究

代表 渡辺 清政ヘリカル研究部

LHDの核融合炉心相当の高ベータ放電では、交換型MHD不安定性の線形不安定予測領域で安定にプラズマが維持できている。このような放電では非等方圧力が予測され、それが不安定性の安定特性に影響を与えている可能性がある。本研究では、LHDの非等方プラズマで圧力非等方度を同定する手法を開発し、磁力線に平行、垂直方向の加熱特性の違うLHDプラズマで、その手法の妥当性を検証する。また、圧力非等方度の異なるプラズマ放電の不安定性の計測結果から、圧力非等方度による交換型不安定性の発現条件、飽和状態への影響を調べ、その結果を基にLHDの高ベータ放電のMHD安定特性の炉心プラズマへの外挿精度を検証する。

正味電流を含むパラダイムシフトに基づいたヘリオトロンプラズマの崩壊現象の解明

代表 市口 勝治研究部

現在、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置では将来の核融合発電を目指して、プラズマを良好に閉じ込めるために様々な実験が行われている。この実験では、ある条件でプラズマの状態が不安定となって急激に閉じ込めが劣化することがわかっている。そこで、本研究ではこの現象のメカニズムを数値シミュレーションによって解明することを目指す。特に、従来考えられてきた概念とは異なる新しい観点から解析を進める。そして、この不安定性のメカニズムを明らかにすることにより、急激な劣化をもたらさない条件を明確にし、核融合発電の実現に貢献する。

ミクロ集団ダイナミクスが決定する磁場閉じ込め核融合プラズマの圧力限界

代表 藤堂 泰研究部

将来の磁場閉じ込め核融合炉の性能予測では、プラズマ圧力限界の正確な予測が重要である。本研究では流体モデルと粒子モデルを連結した革新的なシミュレーションにより、核融合研究の重要な課題であるプラズマ圧力限界と高エネルギー粒子圧力限界を調査する。これにより、圧力限界を決定するミクロ集団ダイナミクスを解明し、将来の核融合炉の圧力限界について信頼できる予測を可能にするとともに、その制御方法の策定に貢献する。

圧力駆動型モードによるプラズマ構造変化に対する共鳴摂動磁場とシアフローの影響

代表 市口 勝治ヘリカル研究部

三次元磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、摂動磁場及び巨視的背景フローの圧力駆動型不安定性に対する影響を電磁流体力学的手法を用いて数値的に解析した。 摂動磁場に対する解析結果として、局所的に磁気島が形成される場合には不安定性の幾何学的性質が変化すること、及び、プラズマ形状全体が変形する場合には閉じ込め磁場の性質が大きく変化することが得られた。フローの影響は、三次元フロー分布を計算する手法を新たに開発することによって可能になった。このフロー分布を圧力駆動型モードに対する影響の解析に適用した。その結果、フローの絶対値を上昇させるとある値の前後で線形成長率が減少から増加へと転じることが得られた。

バーチャルトカマクディスラプションの検証と制約近傍制御の開拓

代表 松山 顕之エネルギー科学研究科

トカマク方式の核融合エネルギーシステムの難題である不安定性による放電終端現象（ディスラプション）の問題を解決する取り組みとして、運転時の性能向上と装置保護を最適に選択するシステムの研究を行う。世界４つのトカマク実験およびLHDのペレット入射実験の解析によってシミュレーションの物理モデルを検証する。検証した物理モデルをAIや予測制御の手法と組み合わせることで最適なプラズマ制御シナリオを検討し、得られた知見を世界最大の超伝導トカマク実験JT-60SAに適用する。

軸対称性の破れに対応したGrad-Hoganモデルの定式化とディスラプション解析

代表 山下 湧志朗エネルギー科学研究科

プラズマ自身に流れる電流が閉じ込め磁場を作るトカマク方式において、プラズマ閉じ込めが急激に失われるディスラプション現象の存在が知られている。従来のトカマク研究では経度方向に一様であるという軸対称性を仮定する場合が多かったが、近年では軸対称性の破れを考慮した解析が進められており、ディスラプション研究においても軸対称性を仮定しない解析手法が求められている。 本研究では効率よく長時間の過程を模擬することを目的に、プラズマの時間発展を平衡状態の時間変化によって扱うGrad-Hoganモデルを非軸対称解析に応用する。モデルの定式化からシミュレーションコード実装、ディスラプション解析までを試みる。

燃焼プラズマにおける周辺局在モードを介したコア領域と周辺領域の大域的相互作用

代表 石澤 明宏エネルギー科学研究科

高エネルギー粒子駆動のマクロな電磁モードやミクロな乱流を含む燃焼プラズマのコアから周辺までの全領域を高精度で再現することが可能な電磁的ジャイロ運動論モデルに基づく数値シミュレーションを実現する。この数値シミュレーションにより、周辺局在モードを介した「燃焼によって生じた高エネルギー粒子を含むコア領域の閉じ込め特性」と「第１壁への熱負荷特性」の相互関係を支配する物理機構を解明するとともに、双方の特性を同時に満たす周辺局在モードの最適化(出現頻度や飽和振幅、独立した密度・温度構造など)に挑戦する。

ヘリカル実験を活用したトカマク放電強制消滅手法の定量的研究

代表 松山 顕之エネルギー科学研究科

核燃焼トカマク放電に挑戦するITERでは予期しない不安定放電による装置へのダメージを抑制するため、極低温の水素とネオンの混合固体をガスで加速・粉砕し、入射する。世界各国で模擬実験が行われているが不安定放電中では固体とプラズマの相互作用を観測することが難しい。本研究ではLHD装置を活用し、世界で初めて、混合固体とプラズマの相互作用を不安定性のない「静かな」放電で観測することにより詳細な理論シミュレーションとの比較を実現する。

外部アクチュエータを用いた高エネルギー粒子励起MHD不安定性の制御

代表 長崎 百伸エネルギー理工学研究所

磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、アルファ粒子や中性粒子ビームといった高エネルギー粒子（energetic particle, EP）を良好に閉じ込めることは、加熱効率を向上させ、高性能炉心プラズマの生成・維持するために重要な課題である。本研究では、電子サイクロトロン共鳴加熱・電流駆動（ECH/ECCD）や回転変換などの磁場配位パラメタといった外部制御が可能なアクチュエータを組み合わせることでEP励起MHD不安定性の制御手法を開発する。複数のアクチュエータによって励起・減衰の物理機構を明らかにするとともに、EPが駆動する測地線音波モード（EGAM）によるバルクイオンの直接加熱を試みる。

トカマクプラズマ中の高エネルギー電子とホイッスラー波動との相互作用

代表 池添 竜也応用力学研究所

高エネルギー電子の新たなエネルギー散逸機構として着目されているホイッスラー波の詳細計測と高エネルギー電子の速度分布計測を通して、自発励起波動の効果を含めたトカマクプラズマ中の高エネルギー電子のダイナミクスを世界に先駆けて解明することを目指す。具体的な課題の一つは、炉設計の観点から非常に重要な逃走電子生成のアバランチ閾値電場に対する逃走電子駆動ホイッスラー波の影響を実験的に調べ、最新のモデルを検証することである。本研究においてQUEST球状トカマクに念入りな高周波波動計測環境を整備し、挑戦的な粒子計測に基づく高精度な高速電子速度分布計測手法を構築する。

高速磁気リコネクションとそのエネルギー変換過程の解明を目指すレーザープラズマ実験

代表 森田 太智総合理工学研究院

磁気リコネクションは、実験室から宇宙まで、あらゆるプラズマ中で磁場構造変化の時間スケールを決め、宇宙線の加速機構としても注目されている。しかし、リコネクション率を定量的に説明できず、磁場からプラズマへのエネルギー変換を定量的に説明できない。レーザー生成プラズマを用いると、高温・高密度・高ベータとこれまでにないパラメータで実験でき、プラズマ計測も発展しつつある。そこで、磁場が繋ぎ替わるミクロな磁場拡散領域とプラズマ構造を同時計測し、リコネクション率とエネルギー変換を定量的に明らかにする。またリコネクション領域に励起されるプラズマ波動、粒子の加速、リコネクション率との関連を計測から明らかにする。

高出力レーザー生成プラズマを用いる磁気リコネクションの実験研究

代表 森田 太智総合理工学研究院

磁気リコネクションの物理は、電子スケールの微小領域における異常拡散とイオンスケールの磁 場・プラズマエネルギー変換過程を理解する必要がある。本研究では、レーザー生成プラズマ中で磁気リコネクション駆動する。プラズマ発光計測や干渉計測でイオンスケールのプラズマ挙動を、陽子ビームを用いてリコネクション磁場を可視化し、磁場拡散領域周辺の磁場を計測する。新たに開発する二次元トムソン散乱計測を用いて磁場拡散領域と、その上流・下流のプラズマを局所的に計測することで、リコネクション率とプラズマ加熱・加速との関係を明らかにする。

疑似アニーリング法を用いた負エネルギーMHDモードの探索と理解

代表 古川 勝工学研究科

研究代表者らは，磁場閉じ込め核融合炉の運転可能領域を平衡・安定性の観点から決める重要なモデルである理想MHDが非正準ハミルトン系として記述されることに基づき，疑似アニーリング（SA）という平衡・安定性解析法を開発してきた．SAは従来のスペクトル解析と異なり，負エネルギーモード（NEM）を検出できる特徴がある．NEMの検出や発生条件の研究は未開拓分野である．本研究では，スペ クトル解析では安定と判定される平衡をNEMの有無で分類し，その発生条件を分析する．NEMは散逸効果により不安定化すると核融合プラズマにとって潜在的な危険となる．本研究によりMHD安定性に裕度をもった核融合炉設計に貢献できる．

非正準ハミルトン力学理論の応用によるMHD安定性理論の深化

代表 古川 勝工学研究科

核融合プラズマのMHD線形安定性は，スペクトル解析やエネルギー原理によってかなりのことが調べられてきたが，臨界安定な系の非線形不安定性や負エネルギーモードの存在など，未解明の点も残されている．MHD平衡に微小摂動を加えたときのエネルギー増減の様子を疑似アニーリング法を用いて調べ，状態空間内でのエネルギーや不変量の“等値面”の構造を捉えることにより，非線形不安定性や負エネルギーモードの物理と数理を明らかにすることが研究目的である．本研究により，スペクトル解析では安定でも潜在的に危険なMHD平衡に関する知見が得られ，MHD安定性に裕度をもった平衡が求められる炉設計に貢献できる．

上下位置不安定性を抑制した高縦長度トカマク装置の実現

代表 内藤 晋環境・社会理工学院

核融合発電炉実現の第一候補として期待されているトカマク型装置は、プラズマ断面を縦長にすることでその核融合出力を上昇させることが可能であることが知られている。一方プラズマ断面を縦長にするほどプラズマが上下位置不安定な状態になり、プラズマの炉壁衝突の危険性が高まることから、実現可能なプラズマの縦長度には上限が存在する。本研究では、軸対称な磁場構造のトカマク装置に単純な構造のサドルコイルを複数設置することで、強い非軸対称磁場を重畳する。この非軸対称磁場により、軸対称磁場では不可能な縦長かつ上下位置安定なトカマクプラズマを実現し、最終的には実現可能な縦長度の上限を拡張することを目指す。

サドル型コイルによる3次元平衡プラズマの受動的位置安定化機構の解明

代表 筒井 広明総合研究院

発電実証に最も近いトカマク型核融合炉の課題の一つが、プラズマの位置制御である。このプラズマ位置を受動的に安定化させるには、らせん状コイルによる非軸対称磁場を印加することが有効であることが知られているが、トカマク型装置にらせん状コイルを設置することは困難である。我々は初期実験で、複数のサドル型コイルを組み合わせ、そのコイルが作る磁場を印加することで、プラズマの位置を帰還制御なしで安定化できることを発見した。本研究では、その性質が装置に依存しない普遍的なものかどうかを実験、及び、数値解析で調べ、その原理を解明し、核融合炉実現に貢献することを目的としている。

磁気リコネクションによるイオン加熱のインフロー速度依存性の実験的検証

代表 小林 大地理工学部

本研究は，高速インフローを伴う磁気リコネクションにおけるエネルギー変換機構を実験的に解明することを目的とする。磁化同軸プラズマガンによりインフロー速度を制御した磁化プラズマを対向衝突させ，磁場構造とイオン温度の時間発展を高時間分解で同時計測する。これにより，運動・磁気・熱エネルギー間のエネルギー変換過程および加熱効率を定量的に評価し，特にイオン加熱への寄与を明らかにする。高速領域における動的リコネクションの物理機構を解明することで，天体および核融合プラズマに共通する普遍的理解の構築に貢献する。

亜音速／超音速インフローによる磁気リコネクション速度への影響の実験的検証

代表 小林 大地理工学部

天体プラズマ中で生じる磁気リコネクションは，古典的な理論モデルによる予測よりも遥かに高速に生じ，その物理機構を定量的に理解することは，現在のプラズマ物理の主要な課題の一つである。近年，衝撃波による効果などを考慮した新たな理論モデルが次々と提案されており，これらのモデルの検証のために実際の現象の詳細な観測が重要である。しかし，宇宙空間で突発的に生じる現象の直接観測には限界があるため，本研究では衝撃波を伴う速度領域で磁気リコネクションを生じさせる実験装置を新たに開発し，磁気リコネクション速度に対する衝撃波による作用を検証する。

小型トカマク装置でのプラズマ流直接計測による外部共鳴摂動磁場の伝搬機構の解明

代表 岡本 征晃電気工学科

トカマク核融合実験装置における外部からの共鳴摂動磁場（RMP）印可実験では、プラズマ流がRMPの伝搬に影響を与える可能性が示唆されているが、物理機構が解明されていないため、RMPの遮蔽・浸透条件の定量的な予測ができていない。大型装置ではプラズマ内部のRMP磁場やプラズマ流の直接計測ができないためRMP伝搬過程に関するトロイダル流の影響の実験計測はされていない。本研究では、プラズマ内部のプラズマ流速やRMP磁場の直接計測が可能な小型トカマク装置を使って、トロイダル・ポロイダル流速、RMPの大きさや位相の関係を計測し、理論予測と比較することにより、プラズマ流のRMP伝搬に対する影響を明確化する。

非平衡プラズマ中のマクロ構造を支配する電子ダイナミクス

代表 蔵満 康浩工学研究科

磁場やプラズマのエネルギーの変換器として様々な現象で本質的な役割を担う無衝突衝撃波や磁気リコネクションは、宇宙空間や実験室プラズマ中に普遍的に存在する磁気流体（MHD）的なマクロな現象である。その構造はMHD的に理解できるが、衝撃波の遷移層での散逸やリコネクションのトリガー機構、さらに非熱粒子の加速については、ミクロな物理が支配していると考えられている。本研究では、特に電子ダイナミクスに着目し、非平衡プラズマ中のマクロ構造を支配するミクロな物理を、パワーレーザーを用いて実験的に研究する。

磁気ヘリシティ入射で発現するプラズモイド磁気リコネクションと高速イオン加熱

代表 永田 正義工学研究科

高ベータな球状トーラス核融合プラズマ実験装置を使ったプラズマ科学への展開として、独自技術である同軸ヘリシティ入射 (Coaxial Helicity Injection : CHI)を用いたプラズモイド乱流型磁気リコネクション過程の解明とその爆発的なエネルギー解放機構を利用したプラズマ加熱を実現する。 磁化同軸プラズマガンを利用した磁気ヘリシティ（磁束管の絡み）をもつ磁化プラズマ入射は自己組織化の構造形成の宝庫でもある。そのため、本研究では、CHI過程で発現する磁気リコネクション、ダイナモ、流れと渦構造、2流体緩和、電場と回転など多彩な非線形プラズマ現象について探求を行う。