東京大学

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

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。

低域混成波駆動トカマクプラズマの内部磁気計測による電流分布形成の実験的解明

代表 井上 孟流

本研究は、低域混成(LH)波により形成されるトカマクプラズマにおいて、電流分布の形成過程を実験的に解明することを目的とする。電流分布は、磁気構造やMHD安定性を決定づける基本的かつ極めて重要な内部パラメータである。特に非誘導電流駆動により形成されるプラズマは非定型な分布を持つため、従来の物理モデルに依存した間接的な推定手法では高精度な把握は不十分である。本研究では、物理モデルに依存しない内部磁気プローブアレイを用いた直接計測手法を構築する。これを小型球状トカマク装置TST-2に適用し、複数の入射方式におけるLH波駆動プラズマの時空間発展を直接実測し、電流分布の形成過程を実験的に明らかにする。

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

領域分割型反応場概念に基づく革新的プロトンーボロン核融合システム

代表 井 通暁

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

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。

ヘリウムプラズマが誘起する金属ナノ構造形成の制御と新奇応用

代表 梶田 信

ヘリウムは化学的に不活性であるが，プラズマ状態では金属との複雑な原子レベルでの物理的相互作用を起こし，金属表面に繊維状ナノ構造（綿毛，ファズ）を形成する。しかし，その生成機構は解明されていない。本研究では，金属―ヘリウムプラズマ相互作用の物理に着目し，実時間のin situ計測を組み入れかつ制御された環境での実験とシミュレーションにより，金属―ヘリウム相互作用の根本的な理解を目指す。構築された物理モデルとデータベースを利用し，ヘリウム照射損傷が核融合炉材料に及ぼす影響を予測・議論するとともに，この効果を利用して高い効率や活性を持つ光学素子や（光）電極材料等の新しい物質創成手法の確立を行う。

マイクロ波屈折計の原理検証

代表 江尻 晶

マイクロ波計測は、そのロバスト性（耐放射線、耐高熱負荷、耐高粒子負荷）から、核融合燃焼プラズマにおける主要な計測として期待されているが、原型炉では、十分な数と種類の計測機器を設置することが困難であり、マイクロ波計測にはより高次の機能が求められている。本計画は、マイクロ波による屈折効果の利用を目指すものであり、マイクロ波屈折計を設計製作し、TST-2球状トカマクに設置し、トムソン散乱計測で得られた密度分布下での数値計算と比較することで、屈折測定の精度と有用性を検証することである。

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

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。

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

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。

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

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。

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

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。

プラズマの渦構造を決めるトポロジー束縛の研究

代表 布谷 圭一郎

本研究は、プラズマの流体モデルにおける保存量を「相空間におけるトポロジカルな束縛」と捉え、その定式化や性質を調べる理論的研究である。プラズマの流体モデルをハミルトン力学系として捉える手法・描像を、相対論的な場合や散逸のある場合にまで拡張し、様々なプラズマ現象の理解や数値計算スキーム開発へ橋渡しすることを目的とする。

非接触プラズマにおける過渡的熱負荷のエネルギー損失過程解明と原型炉への外挿評価

代表 林 祐貴

熱核融合発電の実現に向けて、炉心からの過渡的な熱粒子放出現象に伴う炉壁への熱負荷を低減することが必須である。申請者はこれまでの研究で、定常熱負荷低減の切り札とされる非接触ダイバータにおいて、パルスプラズマ自身が発生させるリサイクリング粒子束が後続のパルスを減衰させる現象を見出した。この現象に注目し、本研究では直線型装置を用いた実験およびモデリングから、リサイクリング粒子束が関与するパルスプラズマのエネルギー損失過程を明らかにする。さらに、原型炉において過渡的熱負荷の減衰に要する輸送距離を外挿評価する。非接触プラズマを用いた過渡的熱負荷の緩和手法を確立させ、熱核融合発電の早期実現に貢献する。

低域混成波駆動トカマクプラズマの電流分布形成の研究

代表 辻井 直人

本研究の目的は、トカマク型核融合炉の性能向上を目指して、高周波によるトカマクプラズマの非誘導電流駆動を定量的に理解し、中心ソレノイドを用いないトカマク運転手法を確立することである。電流駆動に使える高周波の中で、低域混成波には電流駆動効率が高いというメリットがあるが、効果的な制御には波の伝搬をサポートするプラズマを波自身が生成する複雑な非線形系を理解する必要がある。本研究では波とプラズマの相互作用や複数の電流駆動系の相乗効果を利用する電流駆動シナリオを偏光計を用いて実験的に検証する。実験結果は拡張電磁流体力学を含む数値計算により解析し、高速電子のドリフトが電流分布形成に果たす役割を明らかにする。

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

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。

熱パルスと共堆積層が共存する核融合部分非接触ダイバータにおける複合物理現象の解明

代表 梶田 信

核融合炉の材料への熱負荷低減のために，ITERにおいては部分的非接触プラズマを利用したプラズマ制御が導入される。そこでは，熱パルス流入と共堆積層（金属とガスを含む堆積層）形成が共存する複合的なプラズマ材料相互作用が起こることになる。本研究では，核融合炉壁近傍のプラズマ模擬が世界で唯一可能なオランダの直線装置Magnum-PSIで，定常+熱パルスプラズマを利用し，これまで申請者らが取り組んできた部分的非接触プラズマ環境における，①非接触プラズマの時空間分布計測による動的挙動の理解と，②ヘリウム共堆積層の形成とその熱パルス応答に関する研究を，国際共同研究の枠組みのもとで強力に推進する。

高エネルギー電子計測用損失電子プローブの開発と低域混成波維持プラズマへの適用

代表 篠原 孝司

本研究では、熱化プラズマの閉じ込め領域の外にまで軌道をもつ高エネルギー電子のジャイロ半径(すなわちエネルギー)と磁場ベクトルに対する角度を同時に特定できる損失電子プローブを開発する。このようなプローブは電子のジャイロ半径の小ささから高精度なプローブヘッドが求められ、従来のトカマク型プラズマ発生装置での実現例はない。開発した損失電子プローブを東京大学柏キャンパスの球状トカマク装置TST-2に適用し、低域混成波維持プラズマ中の高エネルギー電子の生成、散逸、輸送過程を明らかにする。

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

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。

超高出力合体加熱を駆使した高ベータ球状トカマクの急速立ち上げ・点火法の確立

代表 小野 靖

２個のトカマクを合体するとポロイダル磁場の２乗に比例した高イオン温度を得る。この高出力合体加熱で，追加熱なし・安価な核融合プラズマ点火シナリオを確立する。磁場で決まる単位体積当たりの加熱出力を最大化するため，装置寸法を絞って高磁場化し，数keVのイオン温度と安定性が確保できる合体加熱を実現する。独自開発の２次元計測3種と粒子シミュレーションを画像比較して，合体生成される高ベータトカマクのホローな熱圧力・電流分布の安定性と輸送，特に絶対極小磁場と負磁気シアの効果を解明する。最後に合体加熱を制御して自在な熱圧力分布を形成し，中性粒子粒子ビームも駆使して合体加熱配位の安定化と輸送の最適化を試みる。

超高磁場磁気再結合の加熱を応用した球状トカマク合体生成法の定常・点火領域への拡張

代表 田辺 博士

本研究課題では、これまでの世界最大の球状トカマク合体生成実験MASTを超える新実験として注目される、英国トカマクエナジーST40との日英国際共同実験を実施し、超高磁場リコネクションにおける巨大加熱・輸送過程の解明およびその最適化、定常運転連結シナリオの開拓を推進する。現地実験直接参加のための派遣に加え、本研究では東京大学が得意とするイオンドップラートモグラフィによる、合体・リコネクションの加熱・輸送過程のイメージング計測を持ち込む実務協力を交えて研究を遂行する。

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

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。

金属堆積環境でのナノ構造加速成長と核融合炉への影響

代表 梶田 信

ヘリウムプラズマとタングステンを含む金属の相互作用（ヘリウム照射効果）により，来金属粒子とプラズマからの粒子が共堆積する環境下で，繊維状ナノ構造の桁違いの加速成長が起こることが明らかにされてきた。本研究では，これまでのヘリウム照射効果を根本的に変える可能性がある共堆積環境でのヘリウム照射効果に着目し，mmスケールのナノ構造成長の起こる条件と加速成長のメカニズムの解明と，核融合への影響や産業応用への分野への波及を視野に入れ加速成長を自由に制御することを目指し，直線型プラズマ装置を用いた実験を中心に研究を進める。

ヘリウム照射ナノ構造タングステンの熱パルス及び可視光応答性の評価

代表 梶田 信

直線型装置MAGNUM-PSIを利用してタングステンへのヘリウム照射を行い，同時にタングステンを堆積させる実験を実施した。銅やモリブデンの堆積が多い場合にはファズの成長が抑制される一方で，サンプルの近くにタングステンのスパッタリング源を置いた場合には7μmという厚いファズ層が形成され，タングステンの堆積により，ファズの成長速度が著しく促進されたことが示唆された。加えて，Magnum-PSIにおけるレーザートムソン散乱からのneやTeとOESデータとの関係をニューラルネットワークを用いてモデル化し，温度・密度計測の誤差を評価したところ10%程度の誤差で計測できることが明らかになった。

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

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。

合体加熱と中性粒子ビーム入射を用いた超高ベータ球状トカマク生成と維持

代表 田中 遥暁

経済的な核融合炉である球状トカマク(ST)の安定維持に向け、(1)プラズマの電流駆動ならびにその不安定性制御のための中性粒子ビーム(NB)開発・実装並びに(2)発生した高エネルギー粒子のエネルギー測定を行う。爆発的なエネルギー変換である「磁気リコネクション」を応用して生成されたSTはプラズマのエネルギーが高く、不安定になりやすい。そこでNB入射で局所的なプラズマ平衡を目指し、従来の計測では判別が難しい高速粒子のエネルギー計測を併せることで核融合プラズマ不安定性制御への理解を進める。また共同研究先の英国トカマクエナジーへの派遣も通してさらに高磁場オペレーションでの加熱物理の統一的知見を獲得する。

核融合炉プラズマ対向壁に適用可能な酸化物分散強化型合金の創製

代表 阿部 弘亨

原子炉及び核融合炉で使用される耐放射線性の高い材料の開発を行う。酸化物分散強化鋼はその中でも最も過酷環境への適用を期待できる材料であり、高温、中性子照射及び腐食環境において、十分なパフォーマンスが期待される。本研究ではこの視点で材料の開発を行う。具体的には、高い強度と延性を備えた耐放射線性酸化物分散強化超合金を設計製造し、微細組織を制御し、高温照射、高温腐食実験を行い、材料の劣化機構を微細構造観察とナノ硬度測定等から解明する。