波動と高エネルギー粒子

磁場閉じ込め装置での磁気モーメントの非保存に起因したα粒子の統計性発生条件の解明

代表 關 良輔研究部

経済合理性の高い小型炉では、磁場コイルの個数が有限であることによる対称性の破れに加えて、磁気モーメントの非保存に起因した高速α粒子の閉じ込め劣化が懸念される。本研究では、磁場閉じ込め装置での磁場勾配を指標にし、ラーモア運動を含む完全軌道と旋回中心近似軌道の比較を通じて、磁気モーメントの非保存に起因した粒子軌道における統計性の発生条件やそれによる粒子の拡散を明らかにする。さらに、軸対称性などの対称性とその破れの影響や磁気島などのトポロジカルな効果を、複数の配位での軌道の比較を通して調べ、軸対称の破れやトポロジカルな効果と磁気モーメント非保存が高速α粒子の閉じ込めに与える相乗効果を明らかにする。

重水素プラズマにおけるトリトン燃焼率に対する核弾性散乱の影響

代表 川本 靖子研究部

高エネルギー粒子の閉じ込めは、磁場閉じ込め核融合炉を実現する上で重要な課題である。 重水素プラズマでは、高エネルギー粒子の閉じ込め性能を示す指標の一つとしてトリトン燃焼率があり、中性子計測によって実験的に評価することができる。しかし、これまでシミュレーションによる解析で、トリトン燃焼率は過小評価となっている。そこで本研究では、シミュレーションでのトリトン燃焼率を正確に評価するために、大型ヘリカル装置LHDの重水素プラズマ実験を対象にして、高エネルギー粒子の衝突・減速過程に現れる核力(核弾性散乱)の影響を考慮したBoltzmann-Fokker-Planck方程式をモデル化し、比較・検証を行う。

高精度プラズマ運動論モデルの構築とエネルギー・運動量・エントロピーバランスの解析

代表 洲鎌 英雄研究部

本研究では、磁場閉じ込めプラズマにおけるプラズマの密度・温度・フロー分布や3次元的局所輸送過程を定量的に正確に予測できる理論・シミュレーションモデルを構築する。粒子・熱・乱流輸送に加えて、異種粒子間(特に電子・イオン間)や波動・粒子間のエネルギー交換ならびにプラズマ加熱過程に対して、微視的乱流はどのようなに影響を及ぼすか、また、乱流輸送・乱流エネルギー交換過程における位相空間上の粒子分布関数構造やそれに伴うエント ロピー生成はどのようになるかを明らかにする。

波動間非線形相互作用が超高次イオンサイクロトロン波帯の突発的波動放射に与える影響

代表 伊神 弘恵研究部

磁場閉じ込め実験室プラズマにおいて、強度が突発的に成長/減衰する超高次イオンサイクロトロン波周波数帯に多数の周波数ピークを持つ放射が観測されている。私達は空間的に離れた２領域どちらでも共鳴条件を満たす特徴的な周波数の波を媒介として、局所的プラズマパラメータ変化が離れた領域での波動突発的成長/減衰に影響しているのではという仮説に基き、・波動間の非線形な結合関係を明らかにする詳細解析・波動励起の素過程およびモード変換を介した伝播過程を明らかにするための解析を実施し、地球磁気圏などにも存在する、「空間的に離れた領域のパラメータが相互に影響しあって発達するような突発現象の発達機構の解明」に挑む。

半径方向大域光学計測を用いた、乱流フロント伝播現象の実験研究

代表 小林 達哉研究部

乱流フロント伝播の物理機構と、プラズマ乱流輸送に占める役割を実験的に明らかにするため、九州大学応用力学研究所のPLATO装置に、ガスパフイメージング(GPI)計測装置を導入する。PLATO装置には、GPI計測のため高速シートガスビーム噴射装置と、フィルタ受光系を新たに導入する。GPIによる乱流計測を行うことで、乱流が励起され、その場に留まったまま消滅するケースと、乱流フロントが半径方向に伝播されるケースを弁別する。これにより、局所理論が周辺乱流でどの程度成り立つかを示す。

プラズマ乱流がマイクロ波伝播に及ぼす影響の実験的解明

代表 矢内 亮馬研究部

プラズマ中でのマイクロ波の伝播はプラズマのパラメータによって変化する屈折率に影響を受けるが、乱流のような時間的・空間的に不規則なパラメータ変化が存在すると、マイクロ波は一定方向には散乱されず、広がりをもって伝播してしまう。その結果ビーム形状の変化、プラズマのビーム吸収などに影響が生じる。本研究では乱流下におけるマイクロ波散乱をビームの広がりとして実験的に計測し、乱流中でのマイクロ波伝播の物理解明・モデル構築に貢献する。

現代的な波動運動論の理論構築による多重場非保存乱流系の捕捉現象の解明

代表 彌冨 豪研究部

プラズマ乱流中では乱流渦がゾーナルフローと呼ばれる流れ場構造に捕捉され、乱流分布が空間的に局在する現象が知られている。従来この捕捉現象は波動運動論と呼ばれる乱流を粒子集団のような「波束」として考える手法によって研究されてきたが、従来の理論では説明されない現象が近年確認された。そこで波動運動論が従来取り扱っていなかった、複数の場の相互作用を含む非保存系に拡張することで、より多様な物理を含む厳密な波動運動論理論を構築する。さらにこの理論の数値計算と従来のシミュレーション・理論研究を比較することで、乱流の捕捉現象について新たな理解を得て、プラズマ乱流を予測・制御手法の進展を目指す。

広周波数帯波動が関与する高速粒子不安定性の非線形開放系シミュレーション研究

代表 樋田 美栄子研究部

多数の荷電粒子の集まりであるプラズマ中には幅広い周波数の波動が存在し、それらの波動と粒子は複雑な相互作用をする。本研究は、高速粒子が発生し続けるという状況下での波動の励起とその長時間発展を、スーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションにより解析する。広周波数帯波動のスペクトルの時間変化、それに伴う波と粒子の間のエネルギーの移送などを示すとともに、その物理機構を解明する。また、系統的シミュレーションによって、その機構が起こる条件を提示し、広周波数帯波動の長時間発展に関する体系的理解へと繋げる。これにより、核融合と宇宙のプラズマの様々な未解決問題に応用できる新たな知見を得ることを目指す。

プラズマ乱流マルチスケール相互作用の一般化Langevin描像

代表 前山 伸也研究部

プラズマ中で生じる乱流は、大きく質量の異なる電子とイオンに起因して、大小様々なスケールの揺らぎを作り出す。近年のスーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションにより、広くスケールの離れたこれらの揺らぎの間にも、相互作用が存在することが明らかになった。本研究では、プラズマ物理・非平衡統計力学・データ科学のアプローチを利用して、プラズマ乱流マルチスケール相互作用を異なるスケール間の相関問題として捉え、コヒーレントな相関項と確率的な無相関項として表す一般化Langevin描像として定式化・体系化することを目指す。本研究の成果は、プラズマ物理学・核融合学・宇宙物理学・流体力学などに貢献する。

マルチスケール相互作用の観点から切り拓く高温プラズマの突発現象

代表 徳沢 季彦研究部

フュージョンエネルギー活用のためには、最重要課題である突発的熱・粒子放出現象を理解する必要がある。本研究では、そのような突発的に発生する現象、特にプラズマの閉じ込めが突然悪化した時に、マルチスケールの乱流間にどのような相関関係が生じるのか、またエネルギーカスケードの構造変化がどのように生じたのかを、高時間・空間分解能を持って示すことを目指す。 これを達成するために、「同時に」複数周波数のミリ波帯電磁波を発生させる技術、「異なる偏波」を持つミリ波信号を精度よく弁別する技術、を組み合わせたシステムを構築する。 JT-60SA装置に適用して観測すると共に太陽観測等と比較し突発現象の特性を明らかにする。

プラズマ乱流におけるメゾスケール構造の3次元計測と位相空間解析

代表 山田 琢磨基幹教育院

核融合プラズマの輸送研究では、プラズマの空間分布と輸送に大きな影響を及ぼすメゾスケール構造を3次元的に理解し、制御することの重要性が増している。本研究では、直線プラズマに複数のプローブアレーを設置して同時計測をすることで乱流やメゾスケール構造を3次元的に計測する。さらに局所的な波数を求めることで実空間と波数空間からなる位相空間上の解析を行い、波動運動論モデルの有する空間予測能力と比較を行い、乱流の理解を促進する。メゾスケール構造の3次元計測と位相空間解析が確立すれば、その発生条件や競合過程、外部回路による緩和過程や、非対称性による構造の選択則などの未解決問題を明らかにすることができる。

トカマクプラズマにおける局所乱流と大域性の研究

代表 西村 大輝総合理工学府

将来の核融合炉の高性能化のため，磁場閉じ込めプラズマ中の乱流輸送の物理機構解明が求められている. 乱流は帯状流などのより大きなスケールの流れや構造と共存・相互作用することが知られており，離れた位置の乱流が巨視的構造を通して長距離相関することも示唆されている. さらに，トーラス型の磁場に閉じ込められたプラズマでは空間非対称性な乱流構造が発現することが指摘されている. 本研究ではトカマク装置PLATOにてプラズマ断面各点で乱流輸送を計測できる複合プローブアレイを作製し，トモグラフィ計測と連携することでトカマクプラズマにおける乱流輸送の長距離相関と空間非対称性の実態を明らかにする.

トーラス統合乱流診断システムを用いた乱流構造の形成および維持機構の研究

代表 糟谷 直宏応用力学研究所

磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて重要なプラズマが自発的に形成する乱流構造の形成機構の理解のために、多空間スケール揺動間の非線形相互作用を数値シミュレーションにより定量的に評価する。具体的には、トカマク実験装置の磁場配位を導入した圧力駆動不安定性の大域的シミュレーションで、径方向に伸びた持続する渦構造の形成条件と形状決定要因を探索する。これら解析を独自のトーラス統合乱流診断システムを利用して行うことで、本システムを実験比較プラットホームとして確立し、実験室プラズマにおける乱流構造形成機構の同定につなげる。

トーラスプラズマ乱流場の４次元観測と突発現象の解明

代表 藤澤 彰英応用力学研究所

核融合の大型トカマク装置により燃焼プラズマを実現する時代を迎えている。トカマク型ではプラズマ内部に電流を流し続けなければプラズマを維持できず、突然に電流が消滅するディスラプションなどの現象が問題となっている。また、閉じ込め性能などのプラズマの性質を決定するのは乱流であるということは周知の事実であったが、その理解は未熟であり関連する多くの謎（アイソトープ効果、パワーデグラデーション、非局所輸送など）が依然として残されている。ディスラプション、Edge Localized Mode (ELM)や鋸波状振動などに伴う突発的崩壊現象の制御およびプラズマ性能を支配する乱流場の理解を目指す。

プラズマ乱流におけるストリーマーの3次元構造と動的応答

代表 山田 琢磨基幹教育院

メゾスケール構造の一種であるストリーマーの理解は、プラズマ乱流において重要な研究である。九州大学の直線プラズマ装置PANTAにおいて、ストリーマーと、その構造形成に重要な役割を果たす媒介波、およびストリーマーを形作る搬送波を3次元的に計測して軸方向構造を明らかにした。また新しい解析手法により、周方向での非線形結合の確認や、周方向波数の局所空間情報を部分的に得ることができた。

磁場閉じ込め核融合プラズマにおける高速イオンの位相空間輸送の研究

代表 松岡 聖人理学研究科

核融合燃焼プラズマでは、核融合反応生成物であるα粒子の安定閉じ込めによる自己加熱維持が重要だが、電磁流体波であるアルベン波との相互作用で異常輸送が生じる。本研究は高速イオンを用い、位置・エネルギーの位相空間輸送を評価し、波動粒子相互作用の実験的理解を目指す。逆問題解析による空間分解能の向上、磁気圏衛星観測手法による輸送粒子束評価、異なる磁場配位での実験を組み合わせ、位相空間輸送の高精度観測を実現し、その素過程と普遍性・配位依存性を解明する。これにより異常輸送制御への基盤的知見を得る。

大域的電磁ジャイロ運動論の構造保存アルゴリズム開発

代表 白戸 高志理学研究科

電磁ジャイロ運動論方程式は核融合プラズマのダイナミクスを記述する第一原理方程式と認識されているが、数値エラーにより信頼性の高いシミュレーションの成功例はほとんど報告されていない。この研究では、電磁ジャイロ運動論の物理的要請に基づき数値アルゴリズムを再構築することで、線形理論をよく再現しつつ長時間のシミュレーションを安定に行うことのできる、革新的アルゴリズムを開発する。

サブイオンスケール乱流の非線形過程の解明へ向けた、先進的なプラズマ実験系の構築

代表 河内 裕一工学研究科

空間スケールがイオンの旋回半径の数分の一から十数分の一程度となるサブイオンスケール乱流は、磁気圏プラズマや核融合炉ペデスタル領域で重要な役割を担うことが近年明らかになってきた。そこで本研究では、その励起・観測に特化した先進的実験系を新たに構築し、非線形過程の解明を目指す。先行研究により、プラズマ半径、ラーマー半径、勾配長を同程度にすることで励起されやすいことが示されている。これを踏まえ、これら三要素を柔軟に制御可能なコイルおよびイオン源を整備する。さらにイオン・電子ビームを導入し、運動論的線形成長率を制御することで、共鳴効果の検証を行う。

アンテナレスーモノクロマティック波動励起の挑戦

代表 岡本 敦工学研究科

核融合プラズマ中のイオンサイクロトロン放射の励起過程の解明

代表 隅田 脩平那珂研究所 先進プラズマ研究部

本研究の目的は、トカマク型核融合実験装置において、イオンサイクロトロン放射(ICE)の励起過程を明らかにすることである。将来の核融合炉では、核融合反応で生成された高速イオンの制御が不可欠であるため、その計測法の開発は重要な課題である。ICEの励起過程を理解できれば、核融合炉においてICEを用いて高速イオンの密度を計測できる可能性がある。本研究では、ICEの駆動源となる高速イオンの速度分布や、ICEの分散関係を調査することで、励起過程の実験的な検証を行う。

非等方な高エネルギー電子の位相空間分布計測と電磁波動発達条件の実験評価

代表 川手 朋子那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

本研究では高温プラズマ中に発生した無衝突な高エネルギー電子のピッチ角分布を、(I) EUV分光偏光計測装置を開発し、(II) QUEST実験においてプラズマ加熱・圧力条件を変化させながらEUV分光偏光計測、磁場揺動計測等を行うことにより、高エネルギー電子の位相分布を定量評価し、電磁波動の発達条件を得る。これらの方法により、高エネルギー電子の存在により駆動される電磁波動の発達条件を定量的に得る。

磁場閉じ込めプラズマの勾配急峻領域における運動論的乱流現象の総合的研究

代表 佐々木 真生産工学部

磁場閉じ込めプラズマでは、温度や圧力などの特徴的空間スケールがイオン旋回半径スケール程度となる現象が広く観測されている。そのような勾配急峻領域では特徴的な乱流の周波数がイオンサイクロトロン周波数程度になるため、サイクロトロン共鳴等の強い波動・粒子相互作用（運動論効果）が生じ、質的に新しい輸送物性が創発する。本研究では、このような運動論的乱流の物理素過程に焦点を当て、理論・実験・情報科学を連携させ、その特性解明に取り組む。

トカマク周辺乱流シミュレーションに向けた大域的ジャイロ運動論コードの開発

代表 奥田 修平エネルギー科学研究科

核融合反応を利用した発電は、経済性・安全性・環境問題などの観点において非常に優れた夢の技術として期待されている。しかし、燃料の高温プラズマを磁場で閉じ込める磁場閉じ込め核融合方式では、乱流により閉じ込め性能が悪化することにより、期待されるようなパフォーマンスを発揮できていない。そこで本研究では、制御の上で特に重要となる周辺領域のプラズマ乱流の第一原理シミュレーションを行うために、GKNET-Xコードを開発する。

磁力線方向流れがもたらす磁化プラズマ乱流構造形成を３次元非接触計測で解き明かす

代表 山崎 広太郎先進理工系科学研究科(工)

磁場閉じ込め核融合プラズマでは，乱流が形成するゾーナルフローやストリーマといったメソスケール構造がプラズマの熱閉じ込め性能を向上/悪化させることが分かっている．特に近年行われた理論研究では，メソスケール構造の形成に磁力線方向流速の勾配が影響を与えることが予測されている.そこで本研究では，メソスケール構造を形成する過程に対する磁力線方向を向いたプラズマ流れの影響を，トモグラフィを用いた3次元揺動計測およびレーザー・マイクロ波を用いた流速・密度分布の非接触計測を用いて明らかにする.