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。
居田克巳教授らの研究グループは、電磁波によるプラズマの加熱プロセスを捉えるために、新たな計測システムの開発に取り組みました。加熱プロセスを直接計測するためには、どの速度の粒子がどれくらいの割合で存在するのかを示す速度分布の時間変化を計測しなければなりません。そこで、高速の原子をプラズマに入射して、プラズマから発せられる光の波長分布からプラズマ粒子の速度分布を高速で計測する方法（高速荷電交換分光法）を用いました。居田教授らは、これまで困難とされていた超高速計測に挑戦し、10キロヘルツ（1秒間に1万回）という超高速でプラズマ粒子の速度分布の時間変化を計測することに成功しました。
核融合発電におけるプラズマの自己加熱のためには、高エネルギー粒子がプラズマ粒子と衝突して加熱するだけでは不十分であり、他のプロセスによる加熱が必要です。プラズマ内部で発生した電磁波が、そのプラズマを加熱できることを実証した本成果は、核融合研究に重要な知見をあたえています。さらに、同様のプロセスで粒子加速が起こっている地球磁気圏の研究にも貢献し、今後の学際的な研究の進展を促すと考えられます。
本研究は、核融合科学研究所の居田克巳、小林達哉、吉沼幹朗らの研究グループと東北大学の加藤雄人教授との協力によって進められました。
この研究成果は、物理学分野のオープンアクセス学術論文誌「コミュニケーションズ・フィジックス」に2022年9月28日付けで掲載されました。
論文情報
研究サポート
科学研究費特別推進研究「核融合プラズマの位相空間揺らぎがもたらす新しい輸送パラダイムの探求」（課題番号21H04973）のサポートで研究がおこなわれました。