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。
磁場で高温プラズマを閉じ込める磁場閉じ込め核融合研究では、高温プラズマを効率的に閉じ込めることができる磁場形状の研究が、フュージョンエネルギー研究の黎明期から行われてきました。荷電粒子の軌道や揺らぎを抑える観点から多くの研究が成果をあげてきました。その中で、ゾーナルフロー※1と呼ばれる帯状の流れができると、揺らぎが原因となる熱の排出が抑えられることがわかってきました。揺らぎが原因の熱の排出現象やゾーナルフローの形成は、非線形な現象であるため、精度よく予測することが大変に難しく、スーパーコンピューターを用いた計算により詳細な研究を進めてきましたが、このゾーナルフローの効果を活用したプラズマの高温化を実現する手法の開発が喫緊の課題でした。最近の理論計算に基づく研究により磁場の形状を工夫すること（磁力線の測地曲率※2を下げる）により、このゾーナルフロー効果を増大できることが示されました。我々は、この理論研究を実証する実験研究に取り組みました。
この研究には、プラズマを閉じ込める磁場の形状を柔軟に制御できること、プラズマの揺らぎの計測ができること、熱の排出を定量的に評価する方法が確立していることなどの条件が必要でした。大型ヘリカル装置（LHD）は、これらの条件を満たす最適な装置であると判断し、磁場の測地曲率を大きく変える実験を実施しました。
2つの異なる解析方法を使って、熱の排出、揺らぎの大きさ、磁場の測地曲率の関係を調べました。一つ目は、統計数理的手法です。もう一つは、揺らぎが原因となる熱の排出モデルに基づく手法です。この独立した2つの解析結果は、いずれも理論研究と合致するものであったため、実験的に理論の検証ができました。
本研究は、磁場の形状によって揺らぎが原因の熱の排出を制御できることを実証した点に大きな意義があります。ゾーナルフロー効果は、非線形な現象であり、それを理解する研究が主流でしたが、本研究により制御する研究に発展させることができました。今後は、揺らぎが起きても熱の排出が小さい装置を作る研究への展開が期待されています。
この研究は、当時名古屋大学大学院理学研究科の大学院生であった西本守と核融合研の永岡賢一、仲田資季らとの共同研究で進められました。プラズマ物理学に関する国際的な学術論文誌「プラズマ・フィジックス・アンド・コントロールド・フュージョン」 に2024年2月29日付けで掲載されました。
論文情報
用語解説
※1 ゾーナルフロー：揺らぎの中で駆動される縞構造の流れ。木星大気の縞状の構造もゾーナルフローの一種。
※2 測地曲率：曲面上の線の曲がり具合を示す指標。曲面上の2点間を最短で結ぶ曲線の測地曲率は0となる。