不純物粒子落下装置によるプラズマ対向壁面のホウ素コーティングのためのシミュレーション解析
大型ヘリカル装置では、不純物粒子落下装置(IPD)を利用し、ホウ素の粒をプラズマ中に入射して対向壁面をホウ素でコーティングすることでプラズマの高性能化を試みています。この場合のホウ素の輸送をシミュレーションによって解析しました。その結果、低密度プラズマではホウ素はIPDから離れた場所にも堆積する一方、高密度プラズマではIPDの近くに集中することが分かりました。この結果はIPDを効率的に運用するための指針になります。
核融合のための水素分子データの実験検証
核融合燃料である水素分子のエネルギー構造は、量子力学的効果により原子のものより格段に複雑になるため、その挙動の実験観測が困難でした。本研究では、大型ヘリカル装置などの水素プラズマから得られた詳細な分子発光スペクトルを用いることで、これまで利用されてきた経験的データに比べ、最新の理論計算データが高精度であることを見出しました。これにより核融合炉排気部での分子挙動の実験観測が可能になります。
核融合プラズマの新たな乱流遷移を発見
大型ヘリカル装置（LHD）において、レーザーを用いた高精度計測により、特定の条件において乱流が抑制される現象を観測しました。さらに軽水素プラズマと重水素プラズマの比較実験、およびスーパーコンピューターを用いたシミュレーションにより、乱流の抑制は乱流の種類が変化する際に起こることが明らかとなりました。本研究結果は、乱流を抑制するための核融合炉の革新的な運転シナリオの確立や炉設計への応用が期待される成果です。
短時間加熱によりプラズマの熱と乱流の伝達が高速化
大型ヘリカル装置（LHD）を用いて、プラズマ内の熱と乱流の伝播を調査し、熱が伝わる速度が、その熱が短時間で与えられるほど速くなることが分かりました。また、温度の変化と乱流がほぼ同時に伝わることも観察されました。この現象は、プラズマ内のエネルギーがどのように移動するかを理解する上で非常に重要です。これらの成果は、将来の核融合炉において、プラズマを安定的に制御するための貴重な知見を提供します。
高エネルギーイオンによる高温プラズマの自発的な流出入状態を発見
プラズマを加熱する中性粒子ビーム入射加熱装置を利用し、磁場に対し接線入射のビーム電力と垂直入射のビーム電力の比率を変化させると、高温プラズマ中の電子はピークした密度分布もしくは平坦な密度分布状態になり、プラズマに含まれる不純物イオンを流出・流入状態にできることを発見しました。この高エネルギーイオンの速度分布の非等方性を利用すれば、核融合プラズマ中の粒子の流出入量を制御し、プラズマを最適な燃焼状態に保持できる可能性が示されました。
高エネルギー粒子の異方性を観測
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素プラズマ実験において、中性子エネルギー分布計測器を用いることで、中性子エネルギーのドップラー効果によってエネルギー分布が変化する現象（ドップラーシフト）を観測しました。高エネルギー粒子の軌道を追跡する数値シミュレーションとの比較を行うことで、プラズマ内に閉じ込められている高エネルギー粒子の速度分布が入射するイオンビームの向きによって変化し、異方性を示すことを明らかにしました。
MHD不安定性とは関係のない高エネルギーイオン閉じ込め悪化現象を発見
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験において、MHD不安定性とは関係のない、高エネルギーイオンの閉じ込め悪化現象を発見しました。悪化度合いは中性粒子ビームの出力に比例しており、プラズマの中心部分で特に顕著に現れています。この現象を引き起こしている原因は未解明のままであり、研究の継続が必要です。
核融合実用炉でのプラズマ熱負荷の観測、予測法の開発
炉心プラズマに面する第一壁やダイバータでは熱負荷の集中や急増を検知するシステムの開発が求められています。しかし、実用炉では燃料となる三寿水素の増殖のため、内壁の広い領域を観測出来る赤外線カメラの設置は認められません。金属ターゲットに埋め込まれた温度計のデータからプラズマ照射面の温度や熱負荷を逆算する解析法を拡張し、少数の測定チャンネルのデータで熱負荷の空間分布を再構成するための条件を検討しました。
乱流輸送を磁場の形状で制御に成功
フュージョンエネルギーを取り出すためには、1億度を超えるプラズマが必要です。磁場で閉じ込めたプラズマの温度を上げる研究が世界中で行われています。ところが、プラズマの密度や温度の揺らぎが原因となり、プラズマ中の熱を排出する現象によってプラズマの温度を下げてしまうことが分かっています。プラズマを閉じ込める磁場の形状を工夫することにより、この揺らぎが原因となる熱の排出現象を抑えること成功しました。
プラズマ中のホウ素の粒子の振舞いを自己矛盾なく計算できる解析手法を新たに開発！
プラズマ中に落下したホウ素の固体粒子（ダスト）の振舞いを自己矛盾なく計算できる新しい解析手法を開発しました。プラズマ中に入ったホウ素は電離してホウ素イオンになります。このホウ素イオンはダイバータレッグと呼ばれる場所を経由してプラズマの外に流れ出てきます。当初、この流れの効果によってダストの軌道はトーラスの外側向きに曲がると予想されましたが、本手法による解析によって実際は内側に曲がることが明らかになりました。
ダイバータ内部で超高中性子圧力を達成
大型ヘリカル装置（LHD）の高密度実験において、ダイバータ内部の中性粒子圧力が非常に高くなる現象を初めて観測しました。この現象は不思議なことに、ある特定の磁場配位でのみ観測されています。ダイバータには、不純物の除去を行うとともに、内部の中性粒子の量を高めて、効率よく粒子を排出することにより粒子制御を向上させる役割があります。今回の成果は、磁場配位を最適化することによってダイバータ内部の中性粒子圧力を高めることができることを意味しており、核融合の原型炉の設計にとって重要な知見を与えるものです。
プラズマ中の不純物の固体粒子の振る舞いを数値シミュレーションで再現することに成功
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ中に向けて不純物を含んだ固体粒子（ダスト）を落下させると、ダストが溶けて蒸発する様子を観測することができます。このダストの蒸発はプラズマにとっては不純物源となるため、その場所を精確に予測することは非常に重要な研究課題です。ダスト輸送シミュレーションと周辺プラズマシミュレーションの両方を用いてダストの蒸発位置を計算したところ、観測結果を再現することに成功しました。
核融合プラズマのデジタルツインによる予測制御の初実証 ―データ同化の適応予測制御への応用―
大型ヘリカル装置（LHD）において、データ同化と呼ばれる数理的技術を応用した新たな予測制御システムを開発し、その制御能力を世界に先駆けて実証しました。このシステムは、リアルタイムの計測情報に基づいて予測モデルを最適化することで、モデルが予測するプラズマの挙動を現実のプラズマの挙動に近づけることができます。さらに、その予測をもとにプラズマの制御を行うことができます。モデルの予測精度を高めた状態で最適な制御を推定できるため、これまでは困難であったプラズマの密度や温度分布の制御をはじめ、プラズマ内部からの熱の逃げやすさといった直接計測していない量の制御にも適用でき、核融合炉制御の基盤技術となることが期待されます。
機械学習を用いたプラズマ分布解析手法を開発 ー核融合炉へ向けたプラズマ内部モニタリング手法に道筋ー
ガウス過程回帰を用いてレーザー干渉計などの積分計測からプラズマの密度分布およびその空間変化率を推定する手法を考案しました。レーザー干渉計は計測精度や時間分解能に優れているため、本手法はプラズマの密度分布の実時間モニタリングやそれを用いたフィードバック制御に応用されることが期待されます。
LHDのICRHシステムにおいて、幅広いパラメーター範囲で低い反射係数を維持するための、負荷変化に強いT接合回路を最適設計
LHDプラズマを用いて、ICRHアンテナの特性を表すS行列を測定しました。さらに、プラズマとICRHアンテナの相互作用のモデルとICRHアンテナに高周波を伝送する回路のモデルを組み合わせて、実験結果を再現できるシミュレーションプログラム（ハイブリッド回路／3DLHDAP）を開発しました。そのシミュレーションプログラムを使って、ICRHシステムの最適化を行い、広いプラズマパラメータ範囲において、反射率が低い（0.4以下）高効率の加熱ができることを示しました。
ICRFプラズマ生成実験の進展
大型ヘリカル装置（LHD）の実験において、イオンサイクロトロン周波数帯電磁波（ICRF）を用いたプラズマ生成と追加熱によって、より高いICRFパワーでのプラズマ生成維持に成功しました。この方法で得られたプラズマは、従来の実験よりも6倍高い密度を達成しました。本成果は、プラズマ生成とプラズマの加熱を同一ショットでの実現、さらに加熱装置の改良、最適化等の進展に貢献することが期待されます。
新しい位相空間観測方法「位相空間トモグラフィ」を提案
位相空間に発生する揺らぎ構造を計測するため、3種類の異なる計測器を連携させてデータを取得し、トモグラフィ手法を用いて解析を行う「位相空間トモグラフィ」法を提案しました。提案された手法は大型ヘリカル装置（LHD）における模擬データ解析に適用され、位相空間揺らぎが再構成されることが示されました。本研究成果は、核融合発電の異常輸送物理の解明に必須である、位相空間乱流の計測に新たな道筋を付けると期待されます。
特定の磁場の印加によってプラズマの不安定性を抑制
大型ヘリカル装置（LHD）の実験において、特定の空間構造を持つ磁場を適切な強さで印加することで、プラズマの主要な不安定性を抑制できることが分かりました。さらに、不安定性が抑制されていくと、不安定性によって悪化させられていたプラズマの閉じ込めの状態が改善することも分かりました。この成果は、主要なプラズマの不安定性の抑制を可能にして、より高い圧力のプラズマを安定的に維持する技術の確立に大きく貢献します。
新構造・核融合炉用受熱機器が大型ヘリカル装置（LHD）での耐久試験で高い除熱性能と信頼性を実証
核融合科学研究所で発明した特許製造技術を用いて、タングステン（W）の受熱面と高強度銅合金（GlidCop®）製冷却板の接合構造から成る新しいタイプの核融合炉用受熱機器「新構造ダイバータ受熱機器」を開発しました。今回の研究では、この「新構造ダイバータ受熱機器」を大型ヘリカル装置（LHD）の高温プラズマに1180回（合計で約8000秒）繰り返し当てる耐久試験を実施しました。この実験によって、新構造ダイバータ受熱機器は核融合炉における除熱機器として高い除熱性能と信頼性を有することが実証されました。
炉心と壁前面のプラズマ分布の隠れた関係性を明らかに
大型ヘリカル装置（LHD）で取得された大規模データセットに多変量解析手法を適用し、炉心プラズマ分布と壁前面のプラズマ分布との間に有意な関係性があることを示しました。この成果は、将来の核融合装置壁における熱負荷予測の高精度化に役立ちます。
先進的核融合燃料を使った核融合反応の実証―中性子を生成しない軽水素ホウ素反応を利用したクリーンな核融合炉への第一歩―
核融合科学研究所と米国・TAE Technologies社の研究グループは、大型ヘリカル装置（LHD）において、磁場で閉じ込めたプラズマ中での軽水素とホウ素11の核融合反応を世界で初めて実証しました。高エネルギーヘリウムを生成する軽水素とホウ素11の核融合反応では放射線である中性子を生成しません。よりクリーンな核融合炉の構想が可能であることから、軽水素とホウ素11は先進的核融合燃料と呼ばれています。今回の成果は、先進的核融合燃料を使った核融合炉の実現に向けた大きな第一歩です。
プラズマの熱を受ける受熱機器の開発－微細なスパイクによって強力な接着を実現－
核融合科学研究所（NIFS）は、プラズマからの熱を受け止める受熱機器の開発を進めています。今回、NIFSと穴織カーボン株式会社（大阪府）は共同で、従来のカーボン製受熱機器の上に高融点金属であるタングステンを接合する技術を開発しました。
高温プラズマ中で氷が溶けて混じり合う様子を詳細に観測し、効果的なプラズマ冷却法を発見
大型ヘリカル装置(LHD)の実験において、磁場で閉じ込めた高温プラズマにネオンを添加した水素の氷粒を入射することで、高温プラズマを効果的に深部まで冷却できることを実証しました。ITERではプラズマが不安定になる兆候を捉えた際、装置のダメージを回避・緩和するために強制的に高温プラズマを冷却する技術の開発が進められています。今回の実験では高温のプラズマ中で氷が溶けて混じり合う様子を初めて水素とネオンが混合された氷に対して詳細に観測することで、ITERの冷却システムの性能を左右する重要な物理的効果を解明しました。
プラズマと半導体材料の相互作用を活用して、高機能な発光デバイスを実現
核融合科学研究所の上原日和助教、シーチュエンCOE研究員、安原亮准教授らの研究グループは、北海学園大学の藤原英樹教授、名古屋大学の大野哲靖教授、田中宏彦准教授、東京大学の梶田信教授と新たに研究チームを結成し、プラズマを材料に照射する技術を半導体の材料加工に応用し、従来に比べて大幅に工程数を削減できる新たな加工技術を提示しました。さらに、この新たな技術を用いて高機能な発光デバイスを開発しました。研究チームは、これまで困難とされてきたランダムレーザーの発光特性の制御にも成功し、核融合科学と光工学という異分野を融合することで生まれた本成果は、今後、更なる発展が期待されます。
プラズマに面する壁へのホウ素の堆積過程を観測
大型ヘリカル装置（LHD）のホウ素粉末入射実験において、プラズマ中に入射されたホウ素が輸送され、プラズマに面する壁のどこで・どのように堆積するかを初めて観測しました。この成果によって、核融合発電の効率に影響する、プラズマ中の不純物や周辺部の中性水素量を制御する方法について、理解が深まりました。
高エネルギー粒子に励起された波動の空間分布と波動による高エネルギー粒子の輸送を同時に観測
大型ヘリカル装置の重水素実験において、レーザー干渉計、高時間応答高速中性子シンチレーション検出器、及び損失高エネルギーイオンプローブを用いる事で、高エネルギー粒子によって励起された波動の空間分布、及び粒子波動相互作用による高エネルギー粒子輸送の様子を同時に観測しました。本成果によって、核融合炉におけるアルファ粒子閉じ込めの理解につながる重要な知見を得ました。
波がプラズマの熱を運ぶプロセスを世界で初めて観測
大型ヘリカル装置（LHD）において、プラズマの速度分布の時間変化を詳細に計測し、高エネルギー粒子が作り出した波が、ランダウ減衰と呼ばれるプロセスによって熱を運び、プラズマを加熱していることを世界で初めて観測しました。今後、本研究成果が基盤となって、核融合発電実現に向けたプラズマの自己加熱の研究が大きく加速するのみならず、地球磁気圏におけるプラズマ加熱の研究も進展すると期待されます。
プラズマ崩壊を引き起こす揺らぎの発生条件を特定
大型ヘリカル装置の比較的高密度プラズマにおいて、プラズマの揺らぎが急激に成長し、閉じ込め性能が大きく劣化する現象を発見しました。このような不安定性は、揺らぎがプラズマ境界に近いところで発生する時、急激に成長することがあることを明らかにしました。この成果は、核融合発電を阻害する不安定性の発生機構を解明するための研究を大きく進展させます。
核力を介した散乱によるエネルギー移行現象の観測
軽水素ビームと重水素ビームを入射したLHD重水素プラズマにおいて中性子発生率とその減衰時間を解析し、九州大学で開発した数値シミュレーションと比較することで、原子核を構成する中性子と陽子を結びつけている核力によって高エネルギー軽水素イオンから高エネルギー重水素イオンへエネルギーが移行する現象を観測しました。本成果によって核融合炉における発電効率の向上につながる重要な知見を得ました。
プラズマ変化を高速で捉える温度計を開発
― 突発的なプラズマ物理現象の理解へ向けた強力なツール ―
核融合発電の実現には、高速に変化する高温プラズマを精密に計測して、物理現象を理解し制御する必要があります。本研究では高性能なレーザー装置を開発し、従来より600倍以上速い、１秒間に２万回という世界最高の速さで、プラズマの電子温度・密度を計測する手法の開発に成功し、これまで困難だった、プラズマの突発的な変化を詳細に調べることが可能になりました。今後、本計測手法を用いて、プラズマの突発的な物理現象の理解が大きく進み、多くの成果が期待できます。
核融合反応で発生した軽水素イオンからのサイクロトロン放射をヘリカル型の磁場閉じ込め装置で初めて観測
大型ヘリカル装置の重水素ビームを入射したプラズマ放電において、核融合反応で発生した軽水素イオンから発生するサイクロトロン放射をヘリカル方式の磁場閉じ込め装置で初めて観測しました。観測された一連の周波数スペクトルのピークは軽水素イオンのサイクロトロン高調周波数からずれていますが、particle-in-cell法を用いた第一原理計算により、そのようなピーク周波数のずれが起こり得ることが示されました。
高速で移動するプラズマ乱流を世界で初めて発見
大型ヘリカル装置（LHD）において、プラズマ中で熱が逃げていく際に、熱よりも速く移動していく乱流を世界で初めて発見し、核融合プラズマの乱流の理解に新たな知見を与えました。この乱流の特性は、プラズマの温度変化の予知を可能にするものであり、今後、乱流を観測することで、プラズマの温度をリアルタイムで制御する手法の開発が期待されます。
超高温プラズマの温度を測定する非接触温度計
─非等方複数高エネルギーイオンの観測に成功─
核融合プラズマは中心温度が１億度を超えると、外部からのエネルギー注入なしで燃焼を維持することができます。この超高温プラズマ状態の保持には温度計測も必要となることから、新たに非破壊高精度較正手法を開発しました。大型ヘリカル装置のプラズマ実験において、超高温に加熱されたプラズマのイオン温度を計測した結果、閉じ込め磁場の方向と非等方な高エネルギーイオンが複雑に混ざり合っていることが明らかになりました。この成果は、核融合発電の燃焼や制御の解析、さらには核融合炉の電磁波を使うプラズマ加熱装置や計測器の較正と解析にも幅広く利用されることが期待できます。
プラズマ質量が断熱層形成に及ぼす影響を解明
― 先進診断法によりプラズマの内部構造が明らかに ―
大型ヘリカル装置（LHD）実験において断熱層の性能がプラズマ燃料によって左右されること見出しました。この現象の物理背景を調べるため「重イオンビームプローブ」と呼ばれる先進診断法を適用し、プラズマの内部構造を観察しました。これにより強い断熱層が形成される原因はプラズマ中の流れの形成によるものであることが確認されました。本研究成果は、核融合発電の実現に必須である高温プラズマの生成に大きく貢献すると期待されます。
機械学習を用いたプラズマ崩壊回避実験に成功
大型ヘリカル装置（LHD）でのプラズマ崩壊現象を回避する制御システムを機械学習を用いて構築しました。このシステムを用いて、LHD実験における放射崩壊を回避し、高い密度のプラズマを維持することに成功しました。
1億度のプラズマを氷で冷やす
― 核融合炉の緊急放電停止システムの研究 ―
大型ヘリカル装置ではITERの放電停止システムに用いられるネオンの氷（ペレット）をプラズマに入射する実験を新たに行いました。ITERではプラズマが不安定になる兆候を捉えた場合、装置の予期しないダメージを緩和するため、マイナス260度以下で凍らせた水素やネオンの氷でプラズマを急速に冷却し、放電を停止させます。今回の実験では高温のプラズマ中でネオンの氷が溶ける過程を初めて詳細に観測することができました。
プラズマのかごを揺らすと熱負荷低減
核融合発電の実現には、高温のプラズマを磁場で閉じ込めて維持することが必要です。そのためには、プラズマの温度低下をもたらす乱流と、装置内壁にかかる大きな熱負荷を制御しなければなりません。今回の研究では、プラズマを閉じ込めている磁場に揺らぎを発生させると、プラズマ中の乱流が伝播するとともに、装置内壁の熱負荷が大幅に減ることを発見しました。これは、乱流と熱負荷の制御に新たな可能性を示すものであり、今後、本成果をもとに、新制御法の確立に向けた研究が進展すると期待されます。
インピーダンス変換器によるICRFアンテナ性能の向上
大型ヘリカル装置（LHD）にはイオンサイクロトロン周波数帯（ICRF）加熱のためのアンテナが２種類設置されています。一つはFAITアンテナと呼ばれる大出力をめざしたアンテナ、もう一つはHASアンテナと呼ばれる磁力線方向の波数が制御可能なアンテナです。これらのアンテナは２種類のインピーダンス変換器を用いることで性能が飛躍的に向上しました。
重元素多価イオンに特有の原子物理学的効果を実験と理論で実証
大型ヘリカル装置や電子ビームイオントラップにおける分光実験データに基づき、ランタノイド元素のガリウム様イオンからの発光線波長の原子番号依存性を調べました。原子番号62と63の間で、別の曲線に乗り移るような奇妙な依存性を示す原因を調べるため、詳細な原子構造計算を行ったところ、重元素多価イオンに特有の、強い配置間相互作用とスピン軌道相互作用が重要な役割を担っていることが実証されました。
中心が凹んだ温度分布を持つプラズマの輸送を熱パルス伝播で調べる
核融合プラズマの熱輸送は温度勾配で表されるモデルがよく使われています。それに対して、プラズマ中心から離れた狭い領域を加熱して、中心が凹んだ特異な温度分布を持つプラズマを作った状態で、中心付近の狭い領域を追加熱すると、熱パルスが温度勾配に逆らって伝播する過渡現象が観測されました。また加熱を入り切りすることで、駆動される熱の流れが温度勾配だけでは決まらないことが実験的に評価されました。
プラズマ中の「食べる食べられる」の関係
― 生態学発の数理モデルで磁気島の脈動機構を解明 ―
大型ヘリカル装置（LHD）で生成されるプラズマ中に「磁気島」と呼ばれる構造が形成されると、装置内壁の熱負荷が減ることが知られています。今回、磁気島が自発的に拡大・縮小を繰り返す脈動現象を新たに発見しました。そして、この脈動の機構を生態学発の「捕食者・被食者モデル」を用いて解明しました。本研究成果は、核融合発電の実現に必須である装置内壁の熱負荷低減に大きく貢献すると期待されます。
強力な粒子排気でプラズマ粒子を制御
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ実験において、ダイバータと呼ばれる領域に水素燃料粒子を圧縮し、かつ真空ポンプにより強力に排気することによってプラズマ粒子の制御性が向上することを発見しました。この成果は、核融合発電における粒子制御の研究を大きく進展させるものと期待されます。
ホウ素粉末のふりかけでプラズマの温度が上昇
― リアルタイムで不純物と乱流を抑制 ―
核融合発電の実現には高温のプラズマを安定に維持することが必要です。ところが、不純物やプラズマ中の乱流によって、プラズマの温度が低下することがあります。今回、大型ヘリカル装置（LHD）において、プラズマ実験中にホウ素粉末をプラズマにふりかけることにより、リアルタイムで不純物を低減すると同時にプラズマ中の乱流を抑制できることを明らかにしました。本成果は、高温のプラズマを安定に維持する方法の確立に大きく貢献するものです。
重水素プラズマで閉じ込め性能と装置壁の安全性を両立
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素プラズマ実験において、閉じ込めプラズマの性能を維持しつつ、装置壁への過大な熱負荷を軽減することに成功しました。この運転には、重水素プラズマに加えて、周辺部の磁場構造が高温の閉じ込めプラズマと周辺部の低温プラズマを分離するのに重要な役割を果たしていることが示されました。この成果は、将来の核融合発電で用いられる重水素・三重水素混合プラズマの運転に明るい見通しをもたらします。
閉じ込め装置の性能向上のための比較実験
核融合反応でエネルギー生成を目指した磁場閉じ込めプラズマ装置にはいくつかの方式があります。ヘリカル装置は定常運転に優れ、将来の核融合炉として有望と考えられています。 代表的なヘリカル装置である大型ヘリカル装置（LHD）とW7-X 装置は、大きさは同程度でともに超電導コイルを用いていますが、コイル形状は大きく異なります。今回、LHDとW7-Xの閉じ込め性能の比較実験を行い、将来のヘリカル装置のコイル設計に重要な知識を獲得しました。
2種類の不純物入射で安定したプラズマ装置壁の熱負荷低減を実現
大型ヘリカル装置（LHD）で、2種類（ネオンとクリプトン）の不純物入射により、1種類の入射よりも効率的で安定したプラズマ装置壁の熱負荷低減を実現しました。核融合炉では、装置壁の局所的な熱負荷を抑える必要があり、プラズマに不純物を入射し熱負荷を輻射として分散させる方法（非接触ダイバータ）が研究されています。この成果は、核融合炉の実現に必要な安定した非接触ダイバータの運転手法の確立に貢献する成果です。
磁場振動による高エネルギーイオン輸送の理解が進展
これまで高エネルギービームイオンが起こす磁場振動によって、その振動を起こしたイオンがプラズマの外に逃げていることを明らかにしてきました。今回、高エネルギー中性子を高感度で測定する検出器を新規に開発し、振動の原因ではない高エネルギー粒子もプラズマの外に逃げていることを観測しました。この成果によって、将来の核融合炉で懸念される磁場振動による高エネルギーイオン輸送の理解が進みました。
大域的なプラズマ揺らぎの特徴的な微細構造を初めて観測
磁場閉じ込めプラズマでは、回転停止後に急激に成長するという性質を持つ揺らぎが問題となっています。LHDでの新規計測手法により回転減速時の温度揺らぎの微細構造を計測することに成功しました。小半径方向の温度分布が平坦になったり傾きを持ったりと時間的に変化する領域がありますが、この一部に定常的に平坦化している領域があることを初めて発見しました。この成果は上記揺らぎの解明に貢献し、本計測手法を用いた他の揺らぎの研究も進展させます。
LHDにおけるプラセオジム・ネオジム多価イオンの発光線同定
大型ヘリカル装置（LHD）の高温プラズマ中に、少量のプラセオジム・ネオジムを導入し、両元素の多価イオンからの極端紫外域における発光スペクトルを解析しました。最近報告された、電子ビームイオントラップ（EBIT）実験におけるネオジムの発光線リストをもとに、両元素のスペクトルの類似性と原子番号依存性から、プラセオジムの発光線も同定されました。そのうち何本かは初めて実験的に同定されたものです。
プラズマ中の不純物量を示す実効電荷数"Zeff"の計測を改善
大型ヘリカル装置（LHD）におけるプラズマ中の不純物量を表す実効電荷数（Zeff）計測の改善を行いました。これまでの計測では、水平方向に長いプラズマ断面に対する可視光の信号を利用してZeffの評価を行っていましたが、プラズマ周辺の光の影響で過大評価された数字が算出されていました。この影響を避けるために、垂直方向に長いプラズマ断面に計測視線を変えることでZeff評価の改善に繋げることができました。
紫外線の計測でプラズマへの粉末落下を着実に確認
大型ヘリカル装置（LHD）では、ホウ素の粉末をプラズマに落下させ、プラズマ閉じ込め容器の壁面にホウ素の膜を作る実験が行われています。落下させたホウ素が効率的にプラズマに到達しているかどうかは、プラズマ中でのホウ素イオンの発光を分光計測することで確認できます。特に、目で見える「可視光」よりも波長の短い「紫外線」を計測することで、低価数から高価数までのホウ素イオンの発光を同時に観測できるようになりました。
異なる不純物を同時にプラズマ中に入射する新たな手法を開発
不純物を高温プラズマ中の調べたい場所にピンポイントで入射するための技術、トレーサー内蔵固体ペレット（TESPEL）において、従来とは全く異なる、複数の不純物を入射する手法を考案し、その原理実証実験を行った結果、その有効性を確かめることができました。この成果は、核融合プラズマ中に存在する不純物を制御するための研究を大きく進展させます。
閉じ込め改善現象に見られる水素同位体効果の物理機構
「閉じ込め改善現象」とは、プラズマが自分自身で内部に断熱層を生成し、それによって中心の温度が上昇するという現象です。核融合プラズマでは、閉じ込め改善現象の起こりやすさが、プラズマの質量により異なることが知られていました。「水素同位体効果」と呼ばれるこの現象が、どのような物理機構で起こっているかを議論しました。
機械学習を用いたプラズマ実験中の異常発光の予測
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ実験では異常な発光が観測されることがあります。この異常発光の原因である装置内面の異常な過熱により、装置が損傷することがありますので、発光を事前に予測したいという要求があります。今回、機械学習の一手法であるサポートベクトルマシンを用いて異常発光を高精度で予測できることを示しました。この成果により、異常発光を回避できる可能性が得られました。
プラズマ内の高エネルギー粒子の空間分布の測定
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素プラズマ実験において、中性子発生分布を計測する中性子カメラを用いることで、プラズマ内に閉じ込められている高エネルギー粒子の空間分布を測定しました。高エネルギー粒子軌道計算から予測される中性子発生分布と比較したところ、高・中磁場強度条件において実験結果と良く一致することが分かりました。これによって、LHDにおける高エネルギー粒子閉じ込めの定性的な理解が進みました。
プラズマ実験以外で起こる壁の損傷を発見
大型ヘリカル装置（LHD）ではプラズマ実験を行う前に、グロー放電で生成した薄いプラズマを張り巡らせて装置の壁や部品を洗浄しています。今回、この洗浄によってある部品から大量の電子が放出したことを示す痕を発見しました。このアーキングの痕は材料が異なる部品では観測されておらず、LHDのグロー放電洗浄が異なる材料でアーキングの発生を分けるような条件であることが分かりました。本成果は、今後使用する機器材料の選定に寄与するものです。
LHDにおけるビームイオン損失機構の解析
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と、統合シミュレーションによる解析によって、LHDにおけるビームイオン損失の物理機構を定量的に解析しました。大型のトカマク型装置では、ビームイオン損失の原因は「新古典輸送」によるものが殆どであると知られていましたが、LHDでは新古典輸送を考慮したシミュレーションでは実験結果を再現できず、その他の物理機構が主な原因となっていることを定量的に明らかにしました。
プラズマ診断技術であるペレット入射に関する理解が進展
高温プラズマに入射された炭化水素ペレットの周りには、高温プラズマとの相互作用により、中性ガス、イオンの層が形成されます。今回、ペレット周囲から発せられる光が観測される領域を決めるスケーリング則の導出に成功しました。本成果により、炭化水素ペレットの周囲に存在する比較的低温の電子の密度と温度の空間分布を高精度で予測できるようになり、炭化水素ペレットを用いた高温プラズマ研究の進展が期待されます。
ミクロスケールの乱流を観測するための新たな計測器を開発
高温プラズマ中に発生する1ミリ程度のミクロなスケールの揺らぎを観測するため、電磁波（ミリ波）を用いた散乱計測器を新たに開発しました。ミクロスケールの強い乱流は高温プラズマの閉じ込めに大きな影響を与えると考えられていましたが、これを直接観測することはこれまで困難でした。今回、大型ヘリカル装置（LHD）に適用するために特別な金属レンズなどの機器を開発し、プラズマ中の乱流による信号の検出に成功しました。
磁場と密度揺動の不思議な相互関係
大型ヘリカル装置（LHD）で生成されるHモードプラズマ中に，粒子の揺らぎで表す密度揺動と閉じ込め磁力線の揺らぎで表す磁場揺動とに対して、計測データの解析を行い、高調波では密度揺動と磁場揺動との位相がランダムに違う現象を初めて発見しました。本研究成果は、Hモードプラズマの密度揺動は必ずしも磁場揺動と同じ振る舞いをしないことを示し、核融合発電に向けて磁場揺動とは別に、密度揺動の計測と制御も重要な役割を果たすことを示唆します。
超高温プラズマの内部構造診断ための高性能ミリ波フィルタ開発
核融合炉内の超高温プラズマに関する研究では、ミリ波メガワットの電磁波を使い、核融合反応が生じる1億度までプラズマを加熱します。しかし、強力な電磁波は計測器にダメージやノイズを与えてしまい、正しい計測を困難にしていました。そこで、ミリ波電子温度計測器のために、特定周波数だけを取り除くミリ波帯の高性能ノッチフィルタを開発し、電子温度を計測することに成功しました。すべてのミリ波帯を使うプラズマ計測に必要となる基盤技術であり、産業分野や通信分野など、応用分野は多岐にわたります。
ヘリカルプラズマで崩壊現象を起こすプラズマ条件を特定
大型ヘリカル装置（LHD）実験では、設計時の理論予測では不安定性が発生し高い圧力のプラズマが閉じ込められないと考えられていた運転条件でも、高いプラズマ圧力が維持されることが示されています。一方、非常に不安定と予測される場合には、高いプラズマ圧力が維持されず崩壊する現象が観測されています。そこで、プラズマ圧力の崩壊現象が観測される放電で、崩壊条件を詳しく調べました.その結果、圧力勾配が原因である不安定性の一種である交換型不安定性により崩壊現象が発生することが判明し、またその条件も明らかになりました。
プラズマの崩壊発生を予知し、崩壊に向かうプラズマの変化を捉える
大型ヘリカル装置（LHD）の実験データを用いて、プラズマが崩壊する現象の発生確率を機械学習の手法を用いて評価しました。また、崩壊の発生確率が上昇する、すなわちプラズマが崩壊に近づいていく時間帯にプラズマがどのように変化しているかを、シミュレーションによって明らかにしました。
核融合プラズマ実験における標準的な管理・計測機器、
高帯域・高速応答・高ノイズ耐性の中性子束モニタを開発
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素プラズマ実験で発生した中性子を精度良く計測し、管理するため、最新のデジタル回路技術を搭載した中性子束モニタを開発しました。本モニタは、広い測定領域、早い応答時間、及び高い電磁ノイズ耐性という優れた性能を合わせ持ち、LHDで安定稼働中です。JT-60SAやITERでの利用が具体化しており、核融合プラズマ実験における標準的な管理・計測機器としての活躍が期待されます。
プラズマからのエネルギー出力をコントロール
大型ヘリカル装置の重水素プラズマ実験において、回帰解析法という、“一つのパラメータが他のパラメータにどのように依存しているか”を表す手法を用いて、中性子発生数と外部から制御可能な計測パラメータとの依存関係を調べました。その結果、中性子発生数は、プラズマ密度と加熱パワーを用いた簡潔な数式で書けることが分かりました。この成果によって、将来の核融合エネルギー出力を制御するための一手法を手に入れることができました。
データ解析手法の工夫で解像度大幅アップ
大型ヘリカル装置（LHD）で取得されたプラズマ表面の渦データに対して「最大エントロピー法」を適用し、渦の成分分析の解像度を大幅にアップさせることに成功しました。プラズマを安定に制御するためには、発生する渦の運動原理を理解することが必要です。その第一歩として、発生する渦の細かさや回転の速さを正確に知ることが求められます。新しい解析手法を用いることで、渦の成分を詳細に分解できるようになりました。
閉じ込め磁場の壊れが引き起こす閉じ込めの劣化とプラズマの流れを反転させる力を初めて観測
大型ヘリカル装置（LHD）において、電磁波によってプラズマ中に駆動される電流の向きを変えプラズマ中心部の入れ子状の閉じ込め磁場を壊すことで、プラズマ粒子の漏れ出しとプラズマの流れが反転する現象を発見しました。この発見は、駆動電流の向きがプラズマの閉じ込めに重要であること、閉じ込め磁場の壊れが引き起こす流れのブレーキング効果が壊れによる逆向きの力により生じたことを明らかにしています。
地球の裏から遠隔実験
― 地球一周ルートで実験データの高速転送を実証 ―
フランスで建設中のITERでは、膨大な実験データを超高速に長距離伝送する技術が不可欠で、日本のITER遠隔実験センターに大量データを高速複製する試験が進行中です。LHD実験データを用いてSINET5の地球一周経路を転送する実験を行った結果、通信開始時の処理が長くなる問題と、送受同時負荷がかかる国内への中継転送サーバに高速バッファ（SSD）の必要性が判明、2025年ITER実験開始に向けた技術改良に活かされます。
遠隔地のデータの存在がすぐに分かるデータ所在情報サービスとは？
日本のITER遠隔実験センターでは、1万km以上離れたフランスにあるITERから全データを高速複製する計画です。複数の複製所在からデータを効率良く探すのに、データ所在データベースが重要な役割を果たします。通信遅延を考慮すると、データベース同士は「マルチマスター・非同期複製」を行う必要があります。本研究では、Postgres BDR が同機能を有し、約1千km離れた国内ネットワークで実験を行って日仏間複製に十分な性能を持つ事を確認しました。
プラズマにさらされる壁への熱負荷を計測するシステムを構築
核融合炉のダイバータ板と呼ばれる場所には局所的にプラズマが流入し、大きな熱負荷が予想されるため、 その熱負荷を高精度に計測する必要があります。 本研究では、大型ヘリカル装置（LHD）において、2次元かつ高い空間分解能をもつサーモグラフィと熱伝導解析を組み合わせて,、ダイバータ板の熱負荷を高精度に計測するシステムを構築しました。これより、 LHDのダイバータ板が受ける熱負荷を詳細に解析することが可能になりました。
プラズマ中の揺らぎの回転が減速するメカニズムを解明
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマを閉じ込め磁場には、 回転する揺らぎが生じることがあります。 そして、 この揺らぎの回転速度がほぼゼロになるまで低下した後に、揺らぎが急増し、プラズマの閉じ込め性能が急激に劣化する現象が観測されています。本研究では揺らぎの回転の減速機構を実験的に解明しました。減速は揺らぎの増減に密接に関係しているので、この成果は炉心プラズマの深刻な性能劣化を引き起こす揺らぎの急増を回避あるいは抑制させる研究を加速させます。
LHDの中に蓄積する不純物層の分布をシミュレーションで完全再現
大型ヘリカル装置（LHD）ではプラズマ実験を行う毎に、装置の中に不純物の層が地層のように蓄積していきます。この層は脆いので過度に蓄積すると、剥がれてしまう性質があります。この剥がれた不純物層がプラズマに入ると、プラズマが消失してしまいます。本研究によって、不純物層が蓄積しやすい場所をシミュレーションによって完全に再現できることが分かりました。これは核融合炉の安定な運転の実現に貢献できる研究成果です。
プラズマの混合を助ける乱流を発見
大型ヘリカル装置（LHD）の軽水素と重水素の混合プラズマ実験において、プラズマ中の軽水素と重水素の混合状態を世界で初めて計測しました。プラズマの加熱過程で発生するについて、乱流のサイズが小さい時には軽水素と重水素が「混ざらない状態」となり、大きい時には「混ざる状態」となることを発見しました。この成果は、核融合発電で用いられる水素同位体混合プラズマに必要な「混ざる状態」を作る方針となります。
中性子由来の信号評価により、人工ダイヤモンドを用いた高エネルギー粒子研究が可能に
大型ヘリカル装置（LHD）では、プラズマ中の高エネルギー粒子の閉じ込めを研究するために、人工ダイヤモンドを用いた中性粒子分析器（NPA）を開発しました。しかし、このNPAには、中性子が発生する環境下では中性子由来のノイズが発生してしまうという問題があります。本研究では、このノイズを評価するために、東北大学と共同で、NPAにおける中性子の影響を明らかにしました。これにより、LHDにおけるNPAの信号から中性子由来のノイズを分離して、高エネルギー粒子の研究ができるようになりました。
光の計測により電子の運動の偏りを世界で初めて検出
大型ヘリカル装置（LHD）において、水素原子が放出する光の偏光度を1％の精度で精密に計測することに成功しました。また、偏光角の解析から、プラズマ周辺部の電子については、磁場に垂直方向の運動が平行方向の運動よりも優勢であることが示され、これまでの直感的理解を支持する結果となりました。
64画素百万フレーム毎秒で映し出すプラズマゆらぎ画像
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ実験で使用するための超高速カメラを用いた計測装置の開発を行いました。プラズマ発光をカメラ用望遠レンズで取り込み、光ファイバーで計測装置に伝送します。超高速カメラは縦・横8x8の合計64画素しか持たない代わりに、百万フレーム毎秒の撮像スピードを誇ります。この高速撮影に特化した装置を用いて、プラズマの濃淡の高速変化を映し出すことに成功しました。
人工ダイヤモンドを使用した熱中性子計測
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素プラズマ実験において、人工ダイヤモンドを用いた熱中性子計測手法を確立しました。出力される電気信号の形状による信号振り分け手法を導入することで、従来の方法の1.5倍程度の効率で熱中性子計測が可能になりました。この成果は、核融合発電で発生する中性子の管理や燃料増殖率の高精度評価に繋がるもので、核融合炉開発研究を大きく進展させます。
ビッグデータにプラズマの状態を語らせる
大型ヘリカル装置（LHD）におけるプラズマ実験で積み上げた大量のデータを使ってプラズマの状態を把握する手法を開発し、その実用性を示すことに成功しました。この成果は、核融合研究で蓄積されているデータを最大限活用する方法の道筋をつけるとともに、プラズマのリアルタイム制御などに向けた研究を大きく進展させるものです。
高イオン温度状態の維持を妨げる原因を探る
大型ヘリカル装置の高イオン温度プラズマ放電においては、プラズマを加熱する高エネルギーイオンが起こす磁場振動の発生によって、イオン温度が低下してしまう現象が観測されてきました。今回、重水素プラズマ実験の中性子発生分布を計測することで、高エネルギーイオンがこの磁場振動によってプラズマの外に逃げていることが分かりました。この結果に基づき、高イオン温度状態を長時間維持するための手法の構築が期待されます。
プラズマ中の波と共鳴する高速イオンの直接観測
大型ヘリカル装置（LHD）では、核融合反応によって生成される高速イオンの閉じ込めを調べるために、その粒子を模擬した、中性粒子ビーム入射装置（NBI）によって生成された高速イオンを用いて実験を行っています。この高速イオンがプラズマ中の波と共鳴すると、波が大きくなって高速イオンをプラズマの外へと吐き出し、プラズマの性能が低下することが問題となっています。本研究では、吐き出された高速イオンを直接計測して、そのエネルギー分布の詳細な時間変化を観測することに成功しました。これにより、波と相互作用する高速イオンの詳細な振る舞いが解析できるようになりました。
大型ヘリカル装置におけるビームイオン閉じ込め時間の定量的な評価
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と統合シミュレーションを用いた解析により、中性粒子ビーム入射装置（NBI）によって生成されるビームイオンが、プラズマ中にどれだけの時間、留まっているのかを明らかにしました。これは重水素を用いた実験を行わなければ、明らかにできないものであり、ヘリカル型の大型装置では初の試みとなります。この成果は、多くの核融合プラズマ研究で必要とされる「加熱分布」から、不確かさを減ずるものであり、LHDにおけるプラズマ物理現象の解明に寄与することが期待されます。
水素同位体効果の新たな側面の観測に成功
「水素同位体効果」とは、質量の大きい燃料ガスで生成したプラズマのほうが、温度が上がりやすくなるという現象です。この現象は、重水素と三重水素を燃料として用いる将来のプラズマ核融合炉で、より性能の良いプラズマが生成できることを示唆していますが、その原因は未だ謎に包まれています。大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ実験で、水素同位体効果のこれまでとは異なる側面の観測に成功しました。
磁力線の籠の強度低下によるプラズマ温度崩壊のメカニズムを解明
磁場閉じ込め核融合では、高温のプラズマを磁力線で編んだ籠を用いて空間に留めます。プラズマ中に電流が流れると、この籠の強度が低下し、プラズマ温度崩壊と呼ばれる極端な中心プラズマ温度の低下が発生します。プラズマ温度崩壊が起こる際の磁力線とプラズマ温度の振動を詳細に計測し、原因となる波の存在を明らかにしました。この波は、半径方向に2つの節を持つ定在波で、プラズマ中で速度を落としながら周方向に回転します。
磁力線の結び目に集中するプラズマの発光を解明
大型ヘリカル装置のプラズマを新たに開発した数値シミュレーションコードによって計算した結果、プラズマの発光がX点とよばれる磁力線の結び目に集中して起こること、およびそのメカニズムが宇宙の星の形成過程で起こっている熱的不安定性と呼ばれる過程と同じメカニズムであることが解明されました。この成果によって将来の核融合装置の磁力線構造を最適化することでプラズマの発光を制御する研究が大きく進展することになります。
ミリ波の伝播をリアルタイム制御し、高効率なプラズマ加熱を実現
電子サイクロトロン加熱用のミリ波入射系をリアルタイム制御するシステムを開発し、大型ヘリカル装置（LHD）の時々刻々変化するプラズマに対して最適入射することで、プラズマを高効率加熱できることを示しました。またこの制御系を利用して、高電子温度運転や高密度運転の性能向上に成功しました。この成果は高パワー・長時間運転時の高効率加熱の維持だけでなく、核融合プラズマの性能を評価する輸送研究の高精度化にも貢献します。
LHDにおけるミリ波・サブミリ波散乱によるイオン計測
プラズマ中のイオンと高速イオンの状態を調べるために、電磁波の散乱現象を利用した協同トムソン散乱（CTS）計測の開発を進めています。世界初のサブミリ波である300 GHz帯の散乱計測の開発状況を報告しました。また、世界に先駆け深層学習を用いて1次元の計測した散乱信号から2次元の非等方イオン速度分布を求める速度空間上のトモグラフィ手法を提案しました。この成果は、核融合で発生するするα粒子の状態を調べる手法の進展に貢献しています。
LHDを利用した各種元素からの発光スペクトルの実験データベース構築
大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマ中に、原子番号36から83の範囲の各種元素を不純物として入射し、プラズマからの発光を分光器で観測しました。その結果、スペクトルの原子番号や電子温度に対する依存性が系統的に整理され、理論計算との比較による解析が進展し、新たなスペクトル線も発見されました。本研究により、核融合のみならず原子物理学やプラズマ応用の分野でも有用な実験データベースが整備されました。
軽い水素と重い水素でプラズマの閉じ込めが違う
大型ヘリカル装置（LHD）の実験において、原子核に中性子を持たない軽い水素（軽水素）のプラズマより、原子核に中性子を持つ重い水素（重水素）のプラズマの方がプラズマの乱流が抑えられて閉じ込めがよくなることが分かりました。将来の核融合では重水素と原子核に中性子を二つ持つさらに重い三重水素で行われるため、さらに閉じ込め性能が改善することが期待されます。
トレーサーで探る水素同位体のゆくえ
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験で生成される極僅かの三重水素をトレーサー（追跡子）として利用することで、実験装置の水素同位体挙動を明らかにすることができました。さらに、装置内壁から放出される三重水素は、水素同位体交換反応と材料中の拡散現象に律速されていることを明らかにしました。この成果は、将来の核融合炉で燃料として使用される三重水素の安全取り扱い、燃料循環システムに関する貴重な知見となります。
プラズマの磁気島内部に浸透する乱流
核融合科学究所の大型ヘリカル装置（LHD）で考案した「瞬時加熱伝播法」を米国のトカマク装置（ダブレットIII-D）に応用し、米国の共同研究者と共に、乱流が磁気島内部に伝播するという現象を観測しました。核融合を目指した磁場閉じ込めプラズマでは、温度・密度の上昇に伴い乱流が発生することはよく知られていますが、この乱流が伝播するという性質を持つことを初めて実験で発見しました。