共同研究・競争的資金等の研究課題

磁場閉じ込めプラズマ核融合炉の実現のためには，炉心プラズマから周辺領域に流出する膨大な粒子流および熱流を制御し，直接プラズマと接触するプラズマ対向材(ダイバータ板)の損傷を低減することが最重要課題の一つとなっている。熱負荷低減法として，非接触再結合プラズマ（Detached Recombining Plasmas）形成による熱流制御法の確立の重要性が指摘されている。本研究では，直線型高密道プラズマ発生装置を用いた実験と流体コード，中性粒子輸送コードをカップリングした統合コードによる解析により，非接触再結合プラズマの生成機構と制御手法を確立し，核融合発電の早期実現に資する。

本研究は、核融合・高エネルギー加速器に不可欠な高周波(RF)負イオン源の根本的性能限界である悪いビーム収束性の原因を解明し、その革新的改善策を提示することを目的とする。RF負イオン源でビーム収束性が悪い理由として、RF電磁場による引出界面の振動や高い負イオン温度が指摘されている。そこで本研究では、RF負イオン源のプラズマ生成部から負イオン引出・加速領域を総括的にモデル化し、シースや引出界面の形成過程と負イオンビーム引出領域における負イオン輸送過程を解析する。RF負イオン源でビームの収束性を制限する物理的要因を突き止め、高性能RF負イオン源の設計指針を提示する。

内部コイルを用いてダイバータ配位の環状プラズマを生成し、その境界層におけるプラズマ流や不純物イオンの流速などを詳細に計測する。三角形度などプラズマ断面形状を様々に変えた実験を実施し、ダイバータプラズマシミュレーションコードの結果と比較する。これにより、プラズマ流に対するイオンドリフトの効果を明らかにするとともに実験的な裏付けのある不純物輸送モデルを提案する。

核融合原型炉に向けた最重要課題であるダイバータにかかる熱・粒子負荷の低減には、非接触ダイバータプラズマの形成と制御が必須である。本研究課題では、この非接触ダイバータプラズマの物理機構と動的応答特性の解明を目的とする。まず、プラズマPIC(Particle in Cell)モデルと先進的中性粒子輸送コードを用いて、ダイバータプラズマの基本的な動特性の理解を進める。その後、これらのモデルを結合した運動論的統合シミュレーションコードを開発する。開発した統合コードを用いて、非接触ダイバータプラズマの動的応答特性について総合的な理解を進め、その物理機構を明らかにする。

本研究は重水素負イオン源について、運動論的粒子モデルに基づく数値計算シミュレーションにより、負イオン源のドライバー領域から引出・加速部までを総括的にモデリングし、「研究の目的」に挙げた同位体効果と呼ばれる水素の場合と異なる物理特性のメカニズムを解明することが目的である。そして得られた知見により、核融合や医療用加速器等において、研究開発が進められている重水素負イオン源の実現に貢献する。

プラズマプロセッシングや核融合研究において重要な課題となっている気相中で消えるプラズマの物性を明らかにする。電子・イオン再結合（三体再結合，放射再結合）が主要な過程となる再結合プラズマ中の非熱平衡性，電位構造に関連した熱・粒子輸送過程を，直線型高密度プラズマ発生装置を用いた基礎実験とシミュレーションとの相補的な研究により明らかにする。また，振動励起水素分子により駆動される再結合（分子駆動再結合）プラズマ生成に関して，固体壁で生成される振動・回転励起水素分子の影響と同位体効果を明らかにする。さらに，再結合プラズマのパルス応答を高時間分解で調べ，時空間変化を決定する物理・化学過程を明らかにする。

核融合炉では高温プラズマから対向材を保護するダイバータの設計が重要であり、本研究では磁場形状を工夫した「先進ダイバータ」と呼ばれる新たな概念と課題を工学と物理面から明らかにした。先進プラズマ平衡コードを開発し、インターリンクコイルの配置や製作概念の提案を行った。プラズマ輸送シミュレーションを実施し、プラズマを低温化し熱負荷を通常ダイバータの30-50%程度に低減可能と考えられる。現状では、実験やシミュレーション結果の利点よりも、インターリンクコイル製作など工学的開発の負担が大きいと考えられ低コスト化が必要であるが、より効果的な磁場及び幾何形状に改善し、その予測精度を上げることが課題である。

本研究では核融合周辺プラズマを対象として新しい運動論的数値シミュレーションモデルの構築を試みた。とくにELM（Edge Localized Mode）時の電子エネルギー分布関数の非平衡性・非定常性を考慮し、デタッチメントプラズマおよび水素原子・分子反応過程の動的モデリングを行った。ELM時には、分子活性化再結合（MAR）に重要な振動励起分子の生成が効果的に行われ、その結果、ELM通過後、MARの反応レート増大の可能性が示された。また、ELM前後ではコアプラズマ周辺部に急峻な密度・温度勾配が存在し、新古典輸送効果が重要となる。この効果を考慮した新しい運動論的不純物輸送モデルの開発にも成功した。

核融合装置のダイバータにおける熱・粒子制御に対して重要な非接触ダイバータプラズマについて、ダイバータコードを用いた実験解析により、その形成機構の物理的理解を深め、数値シミュレーションにより非接触ダイバータを再現することができた。また、原型炉条件において、不純物ガスパフ、ダイバータ形状、装置仕様を変化させた解析を行い、今後の原型炉ダイバータ設計における非接触ダイバータ制御に向けた指針を得た。

非接触ダイバータプラズマの制御とそれによるダイバータ熱負荷の低減は、核融合原型炉設計において最重要課題の一つである。本研究では、統合ダイバータシミュレーションコードSONICを用いて、実験解析により非接触ダイバータプラズマの理解を深めると共に、原型炉ダイバータの予測解析に向けたコード改良を行った。そして、原型炉における不純物を用いた非接触ダイバータ及びダイバータ熱負荷の制御について解析を行い、今後の原型炉設計研究に資する指針を得た。