大阪大学

超高密重水素MBIを用いた高温ボース・アインシュタイン凝縮

代表 村上 匡且

運動論的効果に着目した核融合燃焼プラズマ形成・発展の物理解明と学理構築

代表 奥田 直樹

本研究は、レーザー核融合燃焼プラズマを対象とし、エネルギー輸送過程における非熱平衡粒子群の寄与（運動論的効果）を理論的に解明する。近年のレーザー核融合研究は燃焼段階へ進展しているが、従来評価ではプラズマが熱平衡状態にあるという仮定に基づいた記述が主流であった。核反応で生じる高エネルギーヘリウム核が低エネルギー粒子へとエネルギーを配分する過程を微視的に記述すると、加熱特性や輸送現象に本質的な修正が生じると考えられる。本研究では、大規模数値計算により、これら非熱的粒子群が燃焼ダイナミクスに与える影響を定量化し、理論モデル化することで、燃焼プラズマの発展における新たな物理基盤の構築を目指す。

Novel Hybrid Fast Ignition approach using Plasma Mirror-boosted PW laser pulses.

代表 Morace Alessio

Develop and manufacture DEPM for LFEX laser. Demonstrate enhanced focusing and extreme intensity during LFEX laser experiment on simple foils targets. Conduct a fully integrated Fast Ignition experiment with extreme intensity LFEX to achieve ignition temperature

微細構造を有するコーンと高コントラストレーザーによる核融合プラズマ加熱の実証

代表 瀧澤 龍之介

2022年に達成されたレーザー核融合点火を契機に、高速点火レーザー核融合への期待が一段と高まっている。点火を阻害する主因は加熱効率の低さであり、加熱と圧縮を分離する高速点火方式では、電子ビームと燃料の衝突を利用した効率的なエネルギー付与が重要となる。本研究は、高コントラスト加熱レーザー＋コーン形状ターゲットによる電子ビーム収束効果と、構造体ターゲットによるレーザーエネルギー吸収率向上を組み合わせ、レーザーエネルギーから燃料への加熱効率をさらに高めることで、高速点火レーザー核融合を実用化に近づけることを目指す。これにより将来の核融合発電実現への道が大きく拓かれると期待される。

超高解像度中性子計測器によるレーザー核融合プラズマの爆轟的核燃焼の研究

代表 有川 安信

レーザー核融合の燃焼効率をおよそ100%まで高効率化できる可能性を提案する。従来のレーザー核融合設計よりもさらに4倍程度超高密度まで圧縮した燃焼で核融合を起こすと新たな反応が起こることを予言した。これが事実ならばこれまで今の1/1000のエネルギーのレーザーで、核融合でエネルギー発生ができるようになる。その核融合全体は簡単には実現できないが、大阪大学レーザー科学研究所で模擬実験で原理実証を行う。本研究で開発する世界最高性能（超高分解能）中性子計測器で、それを観測することで、予言した原理が正しいことを証明する。その将来にはその高効率レーザー核融合を実現させるステップへ進む。

核融合炉固体トリチウム燃料検査手法の開発

代表 山ノ井 航平

将来の核融合発電炉において、燃料システムの設計は中核を成す課題である。核融合燃料のサイクル及び重水素(D)・トリチウム(T)の固化過程で同位体効果によってDTの分離が発生する可能性がある。屈折率はDとTの比に依存して変化することが知られている。そのため、将来の核融合炉においても、光学的に屈折率を測定することで、燃料中のDとTの比を簡易に検査することができる。本研究では実際にT2及びDTを18 K以下に冷却して固化し、i)DとTの比率を変化させた時の固体DTの屈折率、ii)固化によるDとTの非一様性の観測、iii)屈折率の波長と温度依存性を測定し、固体燃料ペレットの光学計測を可能とする。

高利得レーザー核融合に向けたメゾスケール加熱物理の総合的理解

代表 千徳 靖彦

レーザー核融合を実現するためには、固体密度の数百倍のプラズマを数億度まで加熱し、核融合反応を連鎖的に起こす必要がある。炎は酸化という化学反応であり、その温度は数千度しかない。本研究では、炎ではなく非常に強力なレーザー光を使ってプラズマを数億度へ加熱する。強い光が、どのようにプラズマに吸収され数億度という高温状態が如何に達成されるのか、その物理機構を明らかにする。そして核融合が起こる状態への最適な道筋を導き出す。

多変量解析アプローチによるレーザー光からプラズマへのエネルギー変換特性の理解深化

代表 高木 悠司

レーザー強度が10^15 W/cm^2程度のレーザーと低密度プラズマとの相互作用では，誘導ラマン散乱等の運動論的過程により非熱的高速電子が発生する．発生した高速電子群は高密度プラズマ内にエネルギーを輸送し，衝撃波等のプラズマの流体現象に影響を与える．運動論的コードを用いたレーザープラズマシミュレーションを行い，得られたデータから多変量解析手法等を用いて発生高速電子の特性を解析し，高速電子群をモデル化する．これを流体コードに組み入れることで，運動論的影響を考慮した流体シミュレーションを可能とする．流体と運動論モデルとの中間的な領域でのレーザーからプラズマへのエネルギー変換過程の理解深化を目指す．

高強度レーザー照射下の非熱的エネルギーカスケードを伴うプラズマ発展の解明

代表 岩田 夏弥

高強度レーザー光を固体に照射することで、圧力1億気圧級のプラズマが生成され、高エネルギーイオンが発生する。加速されるイオンのエネルギーや空間分布には、プラズマ中の電子集団の運動が励起する電磁場構造の履歴が反映される。長時間の光照射下では、プラズマ全体の運動によって光吸収面の構造や物質内部でのエネルギー輸送が変化していくが、このような集団応答を含めたプラズマの発展は十分理解されていない。本研究は、高強度光から高速イオンへのエネルギー変換過程について、開放系集団現象としての性質に着目し理論モデルを構築することを目的とする。レーザー駆動粒子加速などの応用に基礎理論として貢献することが期待される。

超高密度水素・重水素プラズマ中での核融合燃焼波伝播に関する研究

代表 藤岡 慎介

太陽は核融合エネルギーで燃えており、まさに地球は核融合エネルギーで育まれてきました。この究極の脱炭素エネルギーを地上で実現し活用しようという人類未到の挑戦の一つが、レーザー核融合です。私達は、レーザー核融合の中でも、高効率が期待されている高速点火方式を研究しています。本研究では、高速点火方式では革新的な核融合燃料形状である中実球を採用できることに着目し、中実球がレーザー核融合に必要な超高密度に圧縮できることを実証します。又、核融合反応によって発生したα粒子が高密度プラズマをどのように加熱するのかを調べることで、レーザー核融合によってエネルギーを取り出すために必要な条件を解明します。

近相対論レーザープラズマ相互作用の運動論を考慮した放射流体シミュレーション

代表 長友 英夫

レーザープラズマのシミュレーション手法は、プラズマを連続体と近似した流体方程式を基礎方程式とする手法と、電子・イオンの粒子運動を考える運動論的手法に大別できる。放射流体シミュレーションに運動論効果モデルを導入することによって近相対論LPI領域の数値解析を向上させる。高速電子の発生源を運動論に基づくシミュレーションによって物理的特性を分類し、高速電子発生モデルを構築する。また、流体シミュレーション手法と親和性の良いフォッカー・プランク方程式を基にした簡易的な高速電子輸送解法を新たに開発することによって近相対論LPIを伴う領域を含むプラズマの流体シミュレーションを一貫して行えるようにする。

ペタワットレーザーによるメガテスラ級極超高磁場生成の原理実証

代表 村上 匡且

新たな物理コンセプト「マイクロチューブ爆縮」に基づき、これまで実験室で観測された最高磁場である1~2キロテスラよりも更に100~1000倍以上高い前人未踏のメガテスラ(MT)級の極超高磁場をペタワットレーザーを使った実験で実証すること である。

ホイッスラー波の特性を生かした新奇なイオン加熱機構の解明とその応用展開

代表 佐野 孝好

レーザーなどの電磁波を用いて高密度プラズマ中のイオンを高温に加熱することは、核融合研究などの実験室プラズマにおいて非常に重要かつ困難な課題である。本研究では、臨界密度のないホイッスラー波の伝播特性を利用し、新奇なイオン加熱機構を提唱する。この機構では、定在ホイッスラー波が崩壊することで、レーザーの振動周期程度の極短時間のうちに電磁波からイオンにエネルギーが直接変換される。本研究では、この革新的なイオン加熱機構の実現性を理論的に精査すると同時に、新しい核融合方式の可能性を模索する。このプラズマ加熱機構は幅広い分野の応用研究に展開できると期待している。

超高速2次元X線計測によるレーザー核融合加熱伝搬ダイナミクスの解明

代表 白神 宏之

近年レーザー核融合研究は大きく進展し、我が国では大阪大学レーザー科学研究所を中心に高速点火方式核融合の研究を進めている。高速点火では高密度燃料プラズマにパルス幅10～30ピコ秒の高強度レーザーを照射し燃料を加熱する。加熱の物理機構は3種の過程が理論的に予測されているが、そのような短い時間内の現象の計測は時間分解能と感度の限界のため実現していない。新たに1ピコ秒の時間分解能を有するEOポリマー検出器と画像サンプリング技術を応用し、これまで不可能であったピコ秒の分解能を持つ高感度X線画像計測装置を開発し、加熱ダイナミクスの超高速計測により加熱機構を解析し高速点火核融合の加熱の設計を高度化する。

ペタワットレーザーによるメゾスケールプラズマの加熱物理の解明

代表 千徳 靖彦

本申請研究では、最先端のプラズマシミュレーションコードを活用し、ペタワットレーザーが作り出すメゾスケールプラズマの形成過程の理論モデルを構築する。固体の加熱実験を行い、構築した理論を検証し高精度化する。太陽コアに匹敵する高密度・高活性プラズマを制御し、プラズマが内包する機能を効率的に引き出す指針を与える。それにより宇宙線のべき乗分布形成やkeV黒体輻射体など宇宙物理学、高速電子・高価数イオン・X線・ガンマ線などの複合量子線源の開発研究、核融合学に必要な中性子源開発など、高エネルギー密度科学の進展に貢献する。また、最先端の研究に大学院生・若手研究者を参加させ、次世代の研究者として育成する。

最先端レーザー光による物質加熱過程の解明を目指したPICLSコードの国際共同開発

代表 千徳 靖彦

米国・ドイツ・フランス・日本の国際共同研究により、非平衡輻射プラズマ粒子シミュレーションコードPICLSを開発する。研究代表者と各テーマを担当する分担者が相手先機関に直接出向き研究することが、本プロジェクトの中核を成す活動である。そしてPICLSコード開発を加速度的に進める。PICLSコードを活用し、最先端の強い光が作り出す非平衡プラズマの物性研究を学術目的とし、イオン加速・核融合反応・X線輻射・強磁場生成などの機能を引き出す。さらに大学院生・若手研究者を育成することで、PICLSコードの開発・運用を中心にした持続可能な国際ネットワーク環境を整備していくことが本国際共同研究の目的である。

10 kT級トロイダル磁場による爆縮プラズマの熱流出抑制効果と核融合出力増大の検証

代表 安部 勇輝

本研究は，中心点火方式レーザー核融合における高利得達成を目的とし，慣性閉じ込めに磁場閉じ込めを融合した「トロイダル磁場アシスト中心点火方式」の科学基盤を構築する．超高強度レーザーにより爆縮プラズマ中に10 kT級のトロイダル磁場を生成し，燃料の熱流出抑制とα粒子加熱促進によって核融合出力の向上を図る．本手法はプラズマの流体力学的不安定性に起因する爆縮非対称性の影響を低減し，核融合点火に求められるレーザーおよびターゲット要件を緩和することで，核融合炉実現の可能性を高める．

レーザーによるGeV/u級イオン加速の原理実証に向けた核種弁別エネルギー計測法の開発

代表 安部 勇輝

X線超解像によるレーザー衝撃波面のミクロ-メゾ構造ダイナミクス

代表 尾崎 典雅

代表者らの最新の研究によって、レーザー衝撃波面の内部においてミクロな欠陥起因の複雑な構造ダイナミクスが、X 線超解像撮像によって可視化・解明されはじめている。ここでは、ダイヤモンド単結晶で見出されたこの知見を、より一般的な材料や先進の材料へと深化させて拡張するために、さらなる高度化した研究を進展させる。高エントロピー材料やナノ3D プリンタ材料など、新たに登場してきた先進的材料を研究対象を加え、ミクロ-メゾにまたがるマルチスケールの衝撃波面構造ダイナミクスの体系的な理解を試みる。将来のレーザー核融合研究に不可欠な物質ダイナミクスのモデリングなどに資する基盤研究を世界に先駆けて展開する。

超高強度レーザーを用いた超短パルス点中性子源の開発と高密度プラズマ診断への応用

代表 安部 勇輝

本研究では，中性子ラジオグラフィによる高解像度・高時間分解画像診断を可能にするべく，高出力短パルスレーザーを用いた超短パルス点中性子源の開発，及びその応用技術の確立に挑む．特に，研究代表者らがこれまでに開発してきたレーザーの一方向照射による「爆縮不要の慣性核融合方式」をさらに発展させることで，ピコ秒・ミクロスケールの高輝度「点」中性子源の生成を実証する．また，中性子線の連続供給までを見据えた中性子発生原理の最適化，ターゲット・計測技術の改良を重ねることで，高輝度かつ実用的な短パルス点中性子源の実現を目指す．

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

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。

高速点火レーザー核融合に向けた高輝度集束電子ビーム生成手法の確立

代表 羽原 英明

高速点火レーザー核融合の実用化には、高速電子による燃料コアへの加熱効率の向上が必須である。キロジュール級高出力ペタワットレーザーで生成する高速電子ビームは、通常広い発散角を持つため、生成後の電子ビームに対し外部デバイスによる磁場を用いたビーム制御を行い加熱効率の向上が試みられている。本研究では、レーザーだけを用い、高密度プラズマ中への低密度プラズマチャンネル（レーザー導波路）形成と、その内部の密度分布制御により、生成過程で発散角の小さい高集束相対論電子ビームを生成する手法の確立を行う。

ナノワイヤーアレイを活用した超高エネルギー密度状態生成の高効率化に関する研究

代表 田中 大裕

ナノワイヤーアレイは、超高温・超高密度状態である超高エネルギー密度状態の生成源として近年注目されている。一方でナノワイヤーアレイ中でのエネルギーの吸収や輸送はいまだ不明な点が多かった。本研究では、理化学研究所の保有するX線自由電子レーザーSACLAを活用した計測により、直接形成された超高エネルギー密度状態を捉えそのエネルギー吸収・輸送機構を明らかにする。さらに、解明したメカニズムをもととして、超高エネルギー密度状態生成に関するナノワイヤーアレイの空間スペックやレーザーの諸条件などの最適化も併せて実施する。また、実験に必要な高品質ナノワイヤーアレイの開発・作成も行う。

レーザーショック超高圧状態におけるメゾスケール物質構造の影響

代表 尾崎 典雅

超高圧・超高ひずみ速度圧縮における物質極限状態に対して、バルク物質材料が有するマイクロメートルスケールまでのメゾスケール構造が及ぼす影響を、フェムト秒分解のX線プローブ計測・観察によって直接的に検討する。これまでの高圧物質科学やレーザー極限科学の研究では、メゾスケール物質構造の極限物質状態への影響はほとんど検討されてこなかった。高強度レーザー駆動の超高圧極限環境において、これらメゾ構造が物質のミクロとマクロにどのように影響しているかを、X線自由電子レーザー利用の超高速時間分解観察によって検討する。原子分子とマクロ材料を繋ぐ新しい領域で新たな知見の獲得や方法論の構築に寄与する。

ハイパワーレーザーを用いた水素化物超高圧状態の解明

代表 尾崎 典雅

水素化物には、構造相転移に伴う"超高温超伝導"など、水素のユニークな特性を反映した興味深い振る舞いが秘められている。しかしながら、水素化物の状態方程式や相図に関わる実験データは決定的に不足している。本研究では、ハイパワーレーザーを用いた動的超高圧を高度に制御して、超高圧高密度の領域で圧縮特性や光学特性を明らかにし、融解や金属転移境界などの振舞いを調べる。また、X線自由電子レーザーをプローブとした超高速X線回折法によって構造とその時間変化のダイナミクスを直接観察する。常温超伝導体や水素吸蔵材料の合成など、新たな水素リッチ物質材料イノベーションの創出に向けて先鞭となる基礎研究を展開する。

Microscale radiography of hydrodynamic instabilities mitigation in magnetized high-density laser plasmas

代表 Pikuz Tatiana

Project is aiming by means of x-ray radiography with XFEL probe and LiF detector with unprecedented spatial resolution of 1 micron and large field of view grater of 1 mm (i) to verify the complex models of Rayleigh-Tailor instabilities development in magnetized mixing and turbulent phase, in particular, to study the phenomena of the Kelvin-Helmholtz instabilities suppression; (ii) to measure, recently predicted by simulations, the magnetically introduced anisotropy of RTI-associated turbulence power spectra with resolution down to Kolmogorov microscale level.

Microscale radiography of complex hydrodynamics phenomena in high-density laser plasma

代表 Pikuz Tatiana

The project will represent a new step on the study of RTI phenomena and shock compression in solids in micrometer scale of morphology and energy dissipation in a matter, which have not been reached before. That include: - the 2D sub-micron resolution data about evolution of RTI in mixing and turbulence; - the precise discrimination between different models and simulations, - the method and results of turbulent energy spectra measurements; - method and measurements of shock wave density profiles. <BR> Research is pioneering and highly demand in the field of plasma physics, astrophysics and ICF.

高強度レーザー光のエネルギー注入下でのプラズマ構造形成過程と粒子加速機構の解明

代表 岩田 夏弥

近年のレーザー技術の発展により、圧力が100億気圧に及ぶ高強度の光をピコ秒を超える長時間にわたって物質に照射することが可能となり、従来の理論では説明できない高エネルギー粒子加速が観測されている。ピコ秒領域では、物質が光を吸収し高エネルギー密度のプラズマ状態となった後、光の注入下でプラズマ全体の構造が発展し、粒子加速に影響を及ぼすことが申請者らの研究により明らかになってきた。本研究では、ピコ秒領域での高エネルギー密度プラズマの構造形成と粒子加速を包括的に理解するための理論構築を行う。これにより新領域のプラズマ物理を開拓するとともに、高効率のレーザー駆動粒子加速など応用研究の発展にも貢献する。