高速で移動するプラズマ乱流を世界で初めて発見～核融合プラズマの乱流の理解に新たな知見～

2022-05-19

英科学誌「サイエンティフィック・リポーツ」に論文掲載

英科学誌「サイエンティフィック・リポーツ」に論文掲載

2022-05-19 核融合科学研究所

概要

核融合発電の実現には、高温のプラズマを磁場で安定に閉じ込めることが必要です。しかし、プラズマ中に発生する乱流^※1によってプラズマの温度が下がってしまうことが問題となっており、乱流の特性を明らかにすることが重要な研究課題となっています。核融合科学研究所（岐阜県土岐市）の釼持尚輝助教、居田克巳教授、徳澤季彦准教授らと米国・ウィスコンシン大学のダニエル J デンハートッグ教授の研究グループは、大型ヘリカル装置（LHD）^※2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。

この研究成果をまとめた論文が５月１６日に英国ネイチャー・パブリッシング・グループの科学雑誌「サイエンティフィック・リポーツ」オンライン版に掲載されました。

研究の背景

核融合発電を実現するためには、１億度以上のプラズマを磁場で安定に閉じ込めて長時間維持することが必要です。ところが、磁場で閉じ込めた高温のプラズマ中には、大小様々な大きさの渦を伴った流れである「乱流」が発生します。そして、この乱流によってプラズマがかき乱されて、閉じ込めていたプラズマの熱が外へと流れ出し、プラズマの温度が下がってしまうことが問題になっています。この問題解決のためには、プラズマ中の熱と乱流の特性を理解する必要があります。

熱と乱流の関係を詳しく理解するために、実験ならびに計算機シミュレーションを用いた研究が数多く進められています。しかし、プラズマの乱流は非常に複雑なため、未だその全容解明には至っていません。特に、発生した乱流がプラズマ中をどのように移動するのかについては、微細な乱流の時間変化を高い感度で極めて詳細に計測する機器が必要であるため、十分には理解されていません。

研究成果

核融合科学研究所の釼持尚輝助教、居田克巳教授、徳澤季彦准教授らの研究グループは、研究所の大型ヘリカル装置（LHD）において、独自に開発してきた計測機器や米国・ウィスコンシン大学のダニエル J デンハートッグ教授の協力を得て開発した計測機器を用いて、熱と乱流を観測した結果、プラズマ中で熱よりも速く移動する乱流を世界で初めて発見しました。

磁場で閉じ込めたプラズマ中には、中心から外へと向かう熱の流れを止める働きをする「堰（せき）」が形成されることがあります。これにより、プラズマの中に強い圧力勾配が形成され、乱流が発生します。釼持助教らの研究グループは、磁場構造を工夫して、この堰を壊す手法を開発しました。この手法により、堰が壊れることで勢いよく流れ出す熱と乱流に注目して、それらの関係を詳しく調べることができるようになりました。

熱と乱流の関係を調べるためには、それらがどれくらいの速さでプラズマ中を移動していくかを計測する高度な機器が必要です。LHDでは、プラズマの乱流と電子の温度と熱の流れを、様々な波長の電磁波を用いて計測する機器を開発してきました。これらは世界最高レベルの性能で、ミリメートルサイズの細かな乱流が変化する様子をマイクロ秒の間隔で計測できます。釼持助教らの研究グループは、これらの機器を駆使して、熱と乱流の移動を計測しました。これまでは熱と乱流は飛行機程度の速度である時速５千キロメートルで、ほぼ一緒に移動することが知られていましたが、今回の実験と計測により、時速４万キロメートルで熱より先に移動していく乱流を世界で初めて発見しました。この乱流の速度はロケットの速度に近いです。

図１ LHD プラズマの断面図。（左）LHD ではプラズマの乱流と電子の温度と熱の流れを、様々な波長の電磁波を用いて計測している。（右）プラズマ断面の電子の温度分布。磁場で閉じ込めたプラズマ中には、中心から外へと向かう熱の流れを止める働きをする「堰（せき）」（図中の灰色の四角で示す）が形成されることがある。
図２（左）プラズマ中に堰を形成し、熱を内側に閉じ込める。（右）堰を壊すことで、プラズマの内側から熱が逃げていく際に、熱よりも速く移動していく乱流を発見した。

研究成果の意義と今後の展開

プラズマ中で乱流が熱よりも極めて速く移動するという、乱流の新たな特性を世界で初めて発見し、核融合プラズマの乱流の理解が飛躍的に進展しました。本成果は、予兆となる乱流を観測することで、プラズマの温度変化を予知できる可能性があることを示しています。今後、これを基に、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。

乱流と熱は自然界においても深い関係があります。LHDは様々な条件でのプラズマ実験が可能であり、プラズマ中の乱流と熱の状態を詳細に計測することが可能です。このようなLHD実験の利点を活かし、自然界の乱流現象の理解にも貢献していきます。

【用語解説】

※1 乱流
プラズマの密度や温度に不均一性がある場合、それが駆動力となってプラズマ中の波が成長し、やがて流れや渦が作り出され、高温状態ではしばしばそれらが不規則に乱れた状態となる。この状態を乱流と呼ぶ。

※2 大型ヘリカル装置（LHD）
核融合科学研究所の実験装置で、超伝導コイルを用いた世界最大級のヘリカル装置。我が国独自のアイデアに基づくヘリオトロン配位と呼ばれる磁場配位を採用し、二重らせん状のコイルを用いてねじれた磁場構造を形成する。1998年から実験を開始し、2017年には核融合炉で必要とされるイオン温度1億2千万度のプラズマの生成に成功した。LHDはLarge Helical Device の略。