名古屋大学

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

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

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。

ダイバータ配位プラズマの境界層におけるプラズマ流と不純物輸送へのドリフトの効果

代表 藤田 隆明

内部コイルを用いてダイバータ配位の環状プラズマを生成し、その境界層におけるプラズマ流や不純物イオンの流速などを詳細に計測する。三角形度などプラズマ断面形状を様々に変えた実験を実施し、ダイバータプラズマシミュレーションコードの結果と比較する。これにより、プラズマ流に対するイオンドリフトの効果を明らかにするとともに実験的な裏付けのある不純物輸送モデルを提案する。

ブランケット用リチウム６生産のための模擬流動層クロマトグラフィーシステムの開発

代表 杉山 貴彦

本研究の目的は，核融合ブランケット材である高濃縮リチウム6の生産に適した模擬流動層クロマトグラフィーシステムの開発である．これまでの研究で，環状化合物をコアシェル型担体に固定化した吸着剤を開発した．この成果により，模擬流動層クロマトグラフィー法の適用可能性が拓けた．模擬流動層は，単純な置換クロマトグラフィー法に比べて，カラムの有効利用性，スケールアップ性に優れている．本研究では，模擬流動層を同位体分離に適用する際に必要となる諸条件を，要素実験により評価して定め，同位体調整材料の大量製造方法として実践的でスケールアップ可能なシステムを開発する．

体積再結合プラズマの衝突輻射過程による非等方・非平衡エネルギー分布診断

代表 岡本 敦

プラズマを構成する電子のエネルギー分布が熱平衡の場合とそうでない場合とで、あるいは、磁場に平行な方向と垂直な方向とで電子の温度が異なる場合で、電子が衝突して生じるプラズマの発光や電子とイオンが結合して原子に戻る過程（体積再結合過程）がどのように変化するのか、実験を通じて明らかにします。実験結果に基づいて、プラズマの発光からエネルギー分布を予測するモデルの構築を試みます。

励起粒子の生成と輸送に伴うエネルギー・運動量損失の理解と非接触再結合プラズマ制御

代表 大野 哲靖

磁場閉じ込めプラズマ核融合炉の実現のためには，炉心プラズマから周辺領域に流出する膨大な粒子流および熱流を制御し，直接プラズマと接触するプラズマ対向材(ダイバータ板)の損傷を低減することが最重要課題の一つとなっている。熱負荷低減法として，非接触再結合プラズマ（Detached Recombining Plasmas）形成による熱流制御法の確立の重要性が指摘されている。本研究では，直線型高密道プラズマ発生装置を用いた実験と流体コード，中性粒子輸送コードをカップリングした統合コードによる解析により，非接触再結合プラズマの生成機構と制御手法を確立し，核融合発電の早期実現に資する。

部分磁化プラズマ状態における乱流素過程の実験的解明

代表 河内 裕一

本研究は、実験・計測器開発・データ解析のサイクルによって部分磁化プラズマの乱流素過程の解明を推進する、4年計画である。1年目は、部分磁化プラズマにおける乱流のパラメータスキャンを行い、実験条件をサーベイする。また、３次元ベクトル場計測のためのキューブプローブ開発やそのための回路設計に取り掛かる。2年目ではキューブプローブの完成させ、乱流輸送の観測実験を行う。 3年目では、減速電位アナライザの開発に取り組む。またソフトウェアとして、トライコヒーレンス解析の開発を行う。4年目では、3年目で開発したものを利用して、乱流による加熱特性の観測実験を行う。

限られた視線の原子輝線強度によるプラズマ電子密度・温度の空間分布推定手法開発

代表 杉本 みなみ

核融合エネルギー開発において、非接触でプラズマ計測を行う分光法の高度化は重要である。実際の装置では分光計測を行うために設置する窓の大きさや方向は、様々な制約により制限される。従来手法では、分光計測窓の制限がある場合に空間分布を得ることが困難であった。 よって本研究では、限られた計測視線しか得られない条件下で、分光信号より電子密度・温度の空間分布を推定する手法を開発する。本研究では主にヘリウム原子線を使用するが、この手法の本質は主にパラメータ最適化にある。したがって、本手法の開発で得られるパラメータ最適化における知見は、核融合炉などの不良条件下におけるプラズマ計測に広く生かされうると考える。

ヘリウムプラズマ照射によるバンドル状金属ナノ構造の形成機構と核融合炉への影響

代表 ZHANG Rongshi

ヘリウム(He)と微量の不純物を含むプラズマの照射によって、核融合炉ダイバータの構成材料であるタングステン(W)の表面にnano-tendril bundle (NTB) と呼ばれるバンドル状の金属ナノ構造が形成される。NTBが形成されると、ダイバータの損耗を増大させ、核融合反応の安定性に危害を及ぼす可能性がある。 本研究は不純物ガス添加したHeプラズマをW試料へ照射することにより、NTBを生成し、走査型電子顕微鏡、共焦点レーザー顕微鏡などを用いてNTBの構造を観察、分析する。加えて、NTBからの電界電子放出特性やアークによる質量損失を調査し、NTBの形成が核融合炉に与える影響を明らかにする。

ガス種依存性に着目した核融合非接触プラズマ中の輸送増大機構の解明

代表 夏目 祥揮

環状磁場閉じ込め核融合発電炉において磁場閉じ込め領域から装置壁へ拡散するプラズマ熱流束・粒子束は、排熱・排気を担う機器「ダイバータ」へと磁力線によって導く。しかし将来の発電炉ではダイバータ材料の工学的許容熱負荷を著しく上回る高温プラズマの流入が予想されることから、ダイバータは致命的な損傷を受ける可能性がある。そのため、プラズマと中性ガスとの相互作用を利用して、プラズマをダイバータ材料前面で消滅させる非接触プラズマの採用が検討されている。近年の非接触プラズマ研究では、磁場を横切る非拡散的プラズマ輸送が増大することが、種々の磁場閉じ込め装置で観測されている。本研究では、この増大機構を解明する。

消えるプラズマの時空間構造を支配する物理・化学機構の解明と制御

代表 大野 哲靖

プラズマプロセッシングや核融合研究において重要な課題となっている気相中で消えるプラズマの物性を明らかにする。電子・イオン再結合（三体再結合，放射再結合）が主要な過程となる再結合プラズマ中の非熱平衡性，電位構造に関連した熱・粒子輸送過程を，直線型高密度プラズマ発生装置を用いた基礎実験とシミュレーションとの相補的な研究により明らかにする。また，振動励起水素分子により駆動される再結合（分子駆動再結合）プラズマ生成に関して，固体壁で生成される振動・回転励起水素分子の影響と同位体効果を明らかにする。さらに，再結合プラズマのパルス応答を高時間分解で調べ，時空間変化を決定する物理・化学過程を明らかにする。

非等方・非平衡リアルプラズマにおける体積再結合過程の解明

代表 岡本 敦

プラズマを構成する電子は一つ一つは様々な運動エネルギーを持ってプラズマ中を飛び交っています。電子の全体としてのエネルギー分布が熱平衡の場合とそうでない場合とで、電子が衝突して生じるプラズマの発光や電離・再結合の過程がどのように変化するのかをエネルギー分布を計測する実験を通じて明らかにし、プラズマの発光からエネルギー分布を予測するモデルの構築を試みます。得られる成果は、より合理的で確実な核融合炉の設計のために活用されることが期待されます。

次元拡張トモグラフィと多装置展開によるプラズマ輸送増大現象の解明

代表 田中 宏彦

熱核融合発電において『非接触ダイバータ』は炉壁への熱負荷低減の切り札である。非接触プラズマ中の磁場を横切る対流プラズマ輸送の増大現象を理解・制御できれば、炉実現を阻む熱負荷問題を解決できる可能性がある。本研究では“条件付き抽出・移動トモグラフィ解析”を光学計測と組み合わせることで、５次元以上の時空間＋波長・速度場計測へと発展させるとともに、国内外・異分野にわたる複数の直線プラズマ装置へと展開する。これらを通して輸送増大現象の物理機構の解明を目指す。

非接触再結合プラズマ中における不安定性・対流輸送の能動制御に関する研究

代表 田中 宏彦

熱核融合発電において『非接触ダイバータ』は炉壁への熱負荷低減の切り札である。申請者は過去の一連の研究で、非接触再結合プラズマ中の不安定性と磁場を横切る対流プラズマ輸送が連動して発生することを見出し、これをむしろ増幅することで、熱負荷問題を解決する着想を得た。本研究では直線プラズマ装置に多様な摂動を印加して、不安定性・輸送の振幅増大を決定付けるキーパラメータを同定するとともに、能動的な制御手法を開発する。さらに、超伝導直線装置およびトーラス装置を用いて、原型炉条件での制御性を外挿評価することを目的とする。

リュードベリ原子状態を介した新しいプラズマ輸送過程の実験的検証

代表 田中 宏彦

古典輸送、新古典輸送、乱流輸送などの磁場を横切る方向のプラズマ輸送過程は、一般に電子温度が高い環境で輸送係数が大きくなる。一方、核融合装置の炉壁前面に生成される低温高密度プラズマ中では、1 eV以下の低温で増幅するプラズマ輸送現象が観測される。本研究では、電子－イオン再結合過程により多量に生成される“高励起状態原子（リュードベリ原子）”に着目し、電子－イオン－リュードベリ原子の共存系における、全く新しいプラズマ輸送過程の解明を目指す。パルス状電子ビームと高時間分解能レーザートムソン散乱計測を用いて、輸送増大現象へのリュードベリ原子の寄与を実験的に検証する。

ITER級パラメータ条件における非接触プラズマ中の非拡散的輸送研究

代表 田中 宏彦

本国際共同研究では、ITERダイバータ領域に匹敵するプラズマパラメータ・磁場強度を有する直線型超電導装置Magnum-PSI（オランダ、DIFFER研究所）に各種計測機器を持ち込み、揺動データセットを取得した。装置壁への熱負荷低減に有望視される“非接触ダイバータ条件”で増幅する非拡散的輸送の発生の有無、ならびに輸送特性を調査した。パラメータ領域や磁場構造の異なる国内複数装置と類似する現象が観測されたことから、将来の核融合装置においても発生しうる現象であることがわかった。

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

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。

磁場閉じ込めプラズマ用３次元磁気流体コードMUSESの慣性核融合プラズマへの応用

代表 白戸 高志

本研究では、磁場閉じ込めプラズマと慣性閉じ込めプラズマという対極の関係にあるプラズマ現象を、先進的な数値アルゴリズム開発を通じて、同一の数値モデルにより再現する。これにより、磁場閉じ込めプラズマにおいてはしばしば確認されている、自発的な対称性の破れという学術的に意義のある現象が、慣性閉じ込めプラズマにおいても観測可能であるか調査を行うことで、次世代のエネルギー源であるフュージョンエネルギーの早期実現に資する。

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

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。