九州大学

LH遷移発生条件の予測に向けたプラズマの誘電率の定量化

代表 西澤 敬之

本研究は、LH遷移の発生条件を予測する新しい指標としてプラズマ径方向誘電率を定量化することを目的とする。PLATOトカマクにおいて、バイアス電極による径電流駆動とHIBPによる径電場計測を組み合わせ、誘電率の形状・磁場・衝突周波数・安全係数・時間スケール依存性を実験的に評価する。誘電率を「プラズマの回転しやすさ」と捉え、回転しやすいプラズマほどLH遷移しやすいという仮説を検証する。最終的には、径電流駆動モデルと統合することで、トカマクやヘリカル装置を含む広範な磁場閉じ込め装置におけるLH遷移予測精度の向上を目指す。

トカマクプラズマにおける乱流場の全域計測と同位体効果の探究

代表 小林 大輝

磁場閉じ込めプラズマの諸性質は乱流によって支配されていることは周知の事実である。また、近年の研究ではプラズマ乱流は局所的乱流の相関長を超えて結びつく大域性を持つことが示され、同位体効果を含む様々な未解決課題は大域的な乱流の性質に由来すると考えられる。その中でも同位体効果は、特にトカマクプラズマにおいて、重水素が軽水素よりも閉じ込めが良いという経験則であり長年の謎である。本課題では、世界にも類を見ないプラズマ断面全域を観測可能なトモグラフィーと静電プローブによる定量的粒子輸送の空間多点観測に基づき同位体効果の起源をトカマクプラズマにて実験的に探究する。

マルチスケール乱流によるプラズマ輸送因果性の実証的解明

代表 文 贊鎬

位相空間乱流遷移モデルの開発と核融合閉じ込めの同位体効果解明への挑戦

代表 小菅 佑輔

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

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。

ダイバータ熱負荷軽減を目指した乱流輸送の定量的研究

代表 小菅 佑輔

本研究では、核融合炉のダイバータ熱負荷低減に対する乱流輸送の効果を検討する。粒子、熱、運動量の差異を考慮した乱流輸送モデルを用いて、スクレイプオフ層の幅を拡げる乱流が将来の核融合炉で励起されうるかを検討する。帯状流や径方向非線形流（ストリーマー）の効果を含めた輸送を定式化する。その一方で、直線装置や環状装置での実験検証を進める。プローブ群により揺動や乱流フラックスを直接かつ同時に計測し、理論モデルの検証を進める。

先進炉での非誘導・炉心プラズマ立ち上げに向けた共鳴速度空間制御加熱とその機構解明

代表 出射 浩

ろうそくの灯が維持されるような燃焼を伴う自律性の高いプラズマでは、外部からのプラズマの制御が難しい中、如何にプラズマを高性能化し、維持するかが課題である。一方、如何に効率良くプラズマを立ち上げるか、如何に安全にプラズマを立ち下げるかは、その制御性は高いものの、過渡的現象で克服すべき点が多く、同じく重要な課題である。本研究では、装置内に設置する必要があるコイルを極力用いず、外部の高周波設備で、如何に高性能・燃焼プラズマを立ち上げるか、またその立ち上げ機構の解明に取り組む。プラズマ立ち上げには、プラズマー波動の共鳴現象を用いるが、表裏一体の原理に基づく先進計測を用い、プラズマの成長過程を捉える。

軸対称プラズマの閉じ込め性能のアスペクト比依存性の起源の解明

代表 井戸 毅

低アスペクト比（トーラス形状の大半径Rと小半径aの比: R /a）を持つ球状トカマクは基本的な磁場構造は標準的なトカマクと同じであるにもかかわらず、そのエネルギー閉じ込め時間の物理パラメータ依存性は、標準的なトカマクのそれと大きく異なっている。本研究は、アスペクト比を球状トカマクから標準的なトカマクの領域まで変化させることができるプラズマ生成手法を開発し、ここに静電乱流と電磁乱流の計測システムと数値シミュレーションシステムを導入することにより、乱流輸送の観点からプラズマ閉じ込めのアスペクト比依存性の物理機構の解明に取り組む。

大型装置への外挿を目的とした局所ヘリシティ入射法によるプラズマ立ち上げの実証

代表 西澤 敬之

局所ヘリシティ入射法によるトカマクプラズマ立ち上げの効率化を行う。これにより従来型より経済性が大きく向上すると考えられている中心ソレノイドを用いないトカマク型核融合炉の実現を目指す。計測手法としてはプラズマのポロイダル断面トモグラフィーを用い、自己組織化により磁場配位が変化しトカマクプラズマが生成される過程を精密計測を行う。局所ヘリシティ入射に用いるプラズマ銃の制御パラメータとトカマクプラズマ中の各物理量の関係性を解明し、電子サイクロトロン電流駆動など他の外部電流駆動法に受け渡すことができる高温高密度プラズマを生成する手法を確立させる。

トモグラフィーによるトーラスプラズマ乱流場の大域観測とアイソトープ効果の解明

代表 藤澤 彰英

本課題では、PLATO (主半径 0.7 m 副半径0.3 m 磁場 0.25 T プラズマ定常時間 100ms以上)の運転領域の拡大およびトモグラフィーなど一部計測器の拡張を実施し、多様な閉じ込め磁場形状対して軽水素および重水素プラズマにおいて乱流場の偏在(対称性の破れ）と結合（大域性）をトモグラフィー（２断面）およびHIBP（１断面）によって大域局所精密観測する。両者の乱流場の構造と機能の関係を、異なる閉じ込め磁場形状の下で捉えアイソトープ効果の物理機構を明らかにする。アイソトープ効果の起源の探究を通して、閉じ込め性能などにおいて高機能な乱流状態を実現する原理を探し出す。

高温電子が存在する定常トカマクスクレイプオフ層の勾配長及び乱流計測

代表 永島 芳彦

九州大学応用力学研究所のQUEST装置では、第一壁温度制御による粒子バランス制御という、世界的に未踏の運転領域で核融合プラズマ研究を行っている。核融合炉のダイバーターへの熱負荷低減を目指すため、QUESTでも周辺プラズマの乱流輸送とスクレイプオフ層勾配長の観測と制御が希求されている。一方QUESTでは、電流駆動時に生成された高速電子が周辺プラズマへ間欠的に到達し、周辺プラズマの理解を複雑にしている。本研究では、QUEST定常トカマクを対象に、近年配備された耐熱プローブを用いてバルクプラズマと高温電子の情報を分別し、壁温度制御実験時の勾配長と乱流輸送の制御性の探索を目的とする。

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

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。

トカマク周辺プラズマの高・低磁場側における乱流輸送特性の同時計測

代表 文 贊鎬

磁場閉じ込め核融合研究において，周辺プラズマの熱・粒子輸送機構の解明とその抑制は緊急の課題である. 最近,トカマク周辺プラズマの高・低磁場側における乱流揺動及び輸送の特性が大きく異なることをシミュレーション研究で示した. 大型トカマク装置では一般的に高・低磁場側の乱流揺動の同時計測が難しく，これまでミュレーションと理論の予測の詳細な検証が困難であった. そこで本研究では, 小型トカマク装置PLATO (PLAsma Turbulence Observatory) に高時間分解能の温度・電位揺動計測法を確立して, トカマク周辺プラズマの高・低磁場側の乱流輸送の同時評価を実現する.

炭素ポンプを用いた水素循環制御の研究

代表 花田 和明

これまでの核融合炉研究では炭素壁とプラズマ性能との高い親和性は認知されつつも、放射化の制限から金属壁への変更が進められてきた.これまでの実験結果から金属プラズマ対向壁では再堆積層と母材間に水素バリアが存在することが発見され、金属表面を能動的に制御することで炭素の特性を活かしつつ放射化を制限する可能性が見出された. 本研究では、プラズマに炭素を添加“炭素ドープ”することで対向壁全体に炭素再堆積層を能動的に形成しつつ、炭素の付着確率の高い150℃以下の低温壁で炭素を回収する“炭素ポンプ”を設置して、滞留する炭素量を制限し、水素同位体の吸蔵量を一定値以下に抑えるシステムを構築する.

複数EC高調波による加熱電流駆動で生成される高エネルギー電子の制動放射計測

代表 恩地 拓己

トロイダル磁場の勾配が強い球状トカマクでは，加熱高周波を特定帯域内で選択することで複数の電子サイクロトロン（Electron Cyclotron, EC）高調波共鳴層がプラズマ閉じ込め領域に共存する状態を作り出せる．電子が数十keVのエネルギーを持つ場合，斜め伝播するEC波は電流駆動方向に動く電子に強く共鳴する．この共鳴条件の対称性の破れにより，電流駆動方向に動く電子は選択的に加熱され，正味の電流が流れる．本研究では制動放射硬X線を二次元計測して高エネルギー電子の空間分布を観測し，共鳴条件の対称性がどのように破れているかを実験的に調査する．

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

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。

新電極配位におけるCHIプラズマ発展の理論解明

代表 黒田 賢剛

核融合発電実現のためのプラズマ実験装置QUEST(九州大学)では近年、装置への導入を容易にする新設計電極を用いた同軸ヘリシティ入射(CHI)システムのプラズマの立ち上げ評価実験が行われている。このCHI手法による初期形成プラズマに電子サイクロトロン加熱を重畳することで高効率のプラズマ閉じ込めが期待される。本研究ではCHIによるプラズマ発展過程を理論的に明らかにすることにより高精度な数値予想を可能とし、電極形状及びコイル配置を変更した最適配位におけるCHIプラズマの形成を評価する。

タングステン中の空孔型欠陥による水素捕獲とその水素による成長促進効果の研究

代表 大澤 一人

タングステンは将来実用化が期待されている核融合炉内で使用される構造材料である。そして、燃料として使用される三重水素は放射性同位元素で、そのタングステン材料中での残留が心配されている。タングステン中の空孔や空孔集合体は水素同位元素の主要な捕獲サイトである。そこで、空孔クラスターの安定構造や成長過程を計算機シミュレーションを使って研究した。その結果、タングステン中の空孔クラスターの安定化には不純物が貢献していることがわかった。特に酸素の役割が重要と考えられる。

革新的な微細構造を有するトリチウム透過抑制被覆材の開発と性能実証

代表 増田 健太郎

DT核融合炉において、燃料であるトリチウム（T）の外部漏洩の抑制は安全性および燃料循環システムの成立に直結する重要な課題である。本研究では、プラズマ対向壁におけるT透過を能動的に抑制する機能を持つ微細構造を有するタングステン（W）被膜を高周波プラズマスパッタ法により作製し、その透過抑制性能をTを用いた透過試験や熱物性評価、水素吸蔵挙動の分析などを通して多面的に検証する。さらに、得られた抑制効果を核融合炉全体の燃料循環モデルに組み込み、初期T装荷量やT損失量などへの影響を数値解析によって評価する。透過抑制膜の局所的な材料特性にとどまらず、燃料循環システム全体への影響を定量的に示す。

プラズマ空間構造の非対称性と乱流輸送の関係の実験的解明

代表 小林 大輝

近年、プラズマ乱流は「不均一」かつ「大域的」であることが明らかになり、大域計測の必要性が高まっている。そこで本研究では、トモグラフィーを用いた大域計測を行うことで明らかになったプラズマの定常的な構造(背景構造)の非対称性とプラズマ乱流の空間構造の歪みの関係を、両者の非線形結合モデルを考え実験データと比較・検証することで明らかにする。また、背景構造の非対称性の影響でプラズマ乱流の空間構造に変化が生じればプラズマ輸送にも多大な影響が生じることが予想される。そこで、プラズマの熱・粒子輸送の評価も同時に行うことで、背景構造に非対称性が乱流変動を介してプラズマ輸送に与える影響を明らかにする。

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

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.

実機高温プラズマ装置における粒子リサイクリングに対するヘリウムの影響に関する研究

代表 岳 其霖

将来の重水素、三重水素を用いた核融合炉では反応後に生じるヘリウムの挙動が核融合反応効率に大きな影響を与える。実機プラズマに試料を曝露して粒子リサイクリングを直接観測可能な高速試料搬送装置（FESTA）を用い、ヘリウムリサイクリングに重要な水素プラズマによるヘリウム誘導脱離効果と表面近傍に形成されるヘリウム集合体の水素リサイクリングへの影響を検証する。昇温脱離装置の活用で試料内の吸蔵量を評価することで反射率の温度依存性及び再堆積層の有無の違いを明確にする。特に核融合装置の運転温度領域で水素・ヘリウム混合プラズマへの曝露実験を行い、水素・ヘリウムの複合効果の温度依存性を評価する。

装置間比較を通じた磁場閉じ込め高温プラズマの同位体効果の解明

代表 木下 稔基

将来の核融合炉で想定されている重水素・三重水素混合プラズマ性能予測する上で軽水素および重水素プラズマにおけるプラズマ性能の違い(同位体効果)や将来の核融合装置を設計する上で異なるプラズマの閉じ込め磁場構造におけるプラズマ性能の違い(磁場配位効果)に関する知見は必要不可欠である．特に熱・粒子輸送はプラズマの閉じ込め性能を決定するため重要である．本研究では主に大型ヘリカル装置(LHD)にて軽水素および重水素実験を行い，熱・粒子輸送の評価および輸送を駆動する乱流揺動の計測を行い，それらの同位体効果についての知見をえる．また，これらの結果について他の装置と比較し，磁場配位効果についても提言する．

タングステン粒子の炉内大域的輸送の理解とそれによる堆積層の水素同位体蓄積量の評価

代表 大宅 諒

本研究は、核融合原型炉のプラズマ対向壁に形成されたタングステン堆積層が、対向壁全体の水素同位体蓄積量に与える影響を明らかにすることを目的とする。そのために、(1)タングステン堆積層の炉内分布と堆積速度を予測し、(2)堆積層形成環境下での水素同位体蓄積量のデータベースを構築する。そして、(3)堆積層を含む原型炉対向壁全体の水素同位体蓄積量の評価を行う。これにより、中性子とヘリウム照射下での水素同位体蓄積量と比較して、堆積層の影響を明らかにする。さらに、堆積層形成やその水素同位体蓄積量の低減する手法を検討する。

高温重イオン照射と新組織追跡法の融合によるダイバータ接合面の実環境下原子挙動解析

代表 嶋田 雄介

核融合炉ダイバータは、過酷環境下において使用されることから諸特性に優れる金属材料の異種接合によって構成されている。一方で、異種金属界面は組織、特性において特異点となることから、本研究では、ダイバータ接合体組織設計指針提案のため、実用環境下における接合界面の組織定量追跡による新規評価技術の開発を行う。最終的には、材料組織学とデータ科学の融合により現象論から組織制御へと繋げ、プロセスへとフィードバックすることで、接合条件の最適化を行う。この成果は、核融合炉ダイバータにのみならず、照射環境下に置かれる多くの材料における材料開発の加速化を促進するものと考えられる。

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

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。

プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガスの分解によるトリチウム抽出法

代表 大宅 諒

本研究は、燃料循環システムの要素機器として、プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガス（炭化水素, 水蒸気, アンモニア）の分解によるトリチウム抽出法の有効性を明らかにすることを目的とする。そのために、(1)最適な分解効率を与えるプラズマ条件の選定と、(2)副生成物の堆積を低減するための手法の検討を行い、高効率化と長時間維持を図る。さらに、(3)核融合実験装置からの真空排気ガスを想定した実証実験を行う。

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

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。

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

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。

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

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。

核融合炉トリチウム製造のための高温ガス炉用リチウム装荷体の照射実証試験と開発

代表 松浦 秀明

核融合炉では，主燃料のトリチウムを炉内で製造する．しかし，運転開始時に保有するトリチウムは他の方法での調達が必要である．エネルギーセキュリティーの観点からも自国での製造手段の検討は重要である． 我々は安全性の高い次世代原子炉として開発中の高温ガス炉を用いたトリチウム製造を検討している．高温ガス炉はリチウムとの相性がよく，炉心構造を大きく変えずに高い効率でトリチウムを製造できる．冷却材がヘリウムガスであるためロッドから流出したトリチウムは核融合ブランケットと同等の技術で回収できる．本研究では，これまで開発してきたリチウム装荷ロッドのトリチウムの閉じ込め性能を，中性子照射試験を実施して確認する．

高温工学試験研究炉HTTRを用いたトリチウム製造実証試験法の開発及び試験体の製作

代表 松浦 秀明

初代核融合炉では 重水素－トリチウム（DT）反応の利用が想定されている．重水素は，自然界に一定の割合で存在するが，トリチウムは放射性核種（半減期約12年）であり，自然界に充分な利用可能量は存在しない．核融合炉で使用するトリチウムは，ブランケットにおいて自前で製造するのが基本的な考え方であるが，原型炉の起動時や事前の炉工学試験には一定のトリチウムが必要である． 本研究では，高温ガス炉を用いたトリチウム製造法の開発に取り組んでいる．これまでの検討を基に，高温工学試験研究炉（HTTR）での照射試験の実施を計画している．本研究では，安全性を確保し，効率的にデータを取得するための試験体の製作に取り組む．

直線磁化プラズマにおける高次非線形構造形成による輸送ダイナミクスの解明

代表 荒川 弘之

プラズマ乱流輸送研究においては、これまで乱流と流れという２体系の相互作用が主に考えられており、孤立渦・飛沫といった高次非線形構造の影響は小さいとして、実験・理論共にほとんど考慮されていなかった。近年の申請者らの研究で３次・４次的に形成された構造観測により、高次非線形構造形成に伴い、輸送が大きく変化する乱流状態を発見した。本研究では、これを更に発展させ、様々な乱流条件において高次非線形構造の輸送を評価し、高次非線形構造による輸送ダイナミクスの系統的理解を目指す。