プラズマの“揺らぎ”を密度で制御する
―核融合の安定運転に向けた新知見―
大型ヘリカル装置（LHD）の高密度プラズマで発生する「低周波エッジハーモニック振動（LF-EHO）」という特殊な揺らぎを観測しました。この揺らぎは、プラズマの密度がある一定値を超えると現れ、さらに密度を高くすると、その性質が変化することを発見しました。この発見は、プラズマの密度を調整することで内部の状態を制御できる可能性を示しており、将来の核融合炉の安定運転に繋がる重要な成果です。
核融合発電は、超高温・高密度のプラズマを安定して長時間維持することが不可欠です。プラズマは、磁場のカゴに閉じ込めておくのですが、性能の良い「Hモード※1」と呼ばれる状態になると、プラズマの温度や密度が大きく向上します。
しかし、Hモードプラズマでは、閉じ込め性能を悪化させる不安定な現象が発生することが課題でした。大型ヘリカル装置（LHD）では、この不安定性を抑えた良好なHモードプラズマを生成できますが、その代わりに持続的に振動する特殊な揺らぎがプラズマの周辺部で発生することがあります。この揺らぎを「低周波エッジハーモニック振動（LF-EHO）※2」と名付けました。LF-EHOがプラズマにどのような影響を与えているのか、特にプラズマ内部の粒子を外に運び出す「粒子輸送」とどう関係しているのかは、これまでよくわかっていませんでした。
そこで本研究では、LHDを用いてプラズマの密度を様々に変える実験を行い、LF-EHOの謎に挑みました。プラズマの密度の揺らぎと、プラズマを閉じ込めている磁場の揺らぎを同時に、かつ高精度で観測しました。
その結果、いくつかの重要な発見がありました。まず、LF-EHOはいつでも発生するわけではなく、プラズマの密度がある一定の「しきい値」を超えたときに初めて現れることがわかりました。これは、LF-EHOの発生にプラズマの密度が深く関わっていることを示しています。
さらに興味深いことに、LF-EHOの性質が密度によって変化することを発見しました。プラズマの揺らぎは、楽器の音色が基本の音（基本波）と倍音（高調波）で構成されるように、基本波と、その整数倍の振動数を持つ高調波から成り立っています。解析の結果、基本波では、密度の揺らぎと磁場の揺らぎは常に足並みを揃えて振動していました。ところが、2倍の振動数を持つ「二次高調波」では、比較的密度が低い状態では両者の足並みはバラバラでしたが、密度を高くしていくと、次第に足並みが揃ってくることが明らかになったのです。
この「足並みが揃う」という現象は、物理学では「コヒーレンスが高くなる」と表現されます。密度の揺らぎと磁場の揺らぎのコヒーレンスは、粒子輸送の強さと関係があると考えられています。コヒーレンスが高い、つまり足並みが揃っているほど、揺らぎが効率的にプラズマ中の粒子を外側へ運び出すことを意味します。今回の発見は、プラズマの密度を高くすることで、二次高調波による粒子輸送がより活発になることを示唆しています。
今回の研究成果は、「プラズマの密度」という運転パラメータを調整することで、LF-EHOという揺らぎの状態、ひいては粒子輸送を制御できる可能性を初めて示したものです。これは、将来の核融合炉において、プラズマを常に最適な状態で安定に運転し続けるための、新しい制御手法の開発に繋がる重要な一歩と言えます。
この研究成果は、プラズマ・核融合学会のオンライン学術論文誌「プラズマ・アンド・フュージョン・リサーチ」に2025年10月17日付けで掲載されました。
論文情報
用語解説
※1 Hモード（H-mode）：High Confinement Mode（高閉じ込めモード）の略。ある条件を満たすと、プラズマが自発的に閉じ込めの良い状態に移行する現象。核融合炉を実現するための標準的な運転モードとされている。
※2 低周波エッジハーモニック振動（LF-EHOs）：LHDのHモードプラズマの周辺部（エッジ）で観測される、持続的に振動する波（揺らぎ）のこと。基本波とその高調波成分を持つ特徴がある。