将来の核融合炉において定常的に反応を維持するためには、燃料粒子の供給と反応生成物の除去を行い、プラズマの密度を適切に制御することが必要です。現在までに行われてきたほとんどのプラズマ実験装置においては、真空容器壁への粒子の吸蔵量が大きく、プラズマ側から見て排気が十分であったため、外部から燃料粒子を供給量の調節だけで比較的容易にプラズマの密度制御が可能でした。しかし核融合炉のように長時間放電かつ壁温が高温になる環境下では真空容器壁への粒子の吸蔵が飽和し十分な排気が行えないため、従来のプラズマ実験装置における粒子バランスとは大きく異なる状況になります。球状トカマクQUESTでは高温金属壁を用いて真空容器壁による粒子吸蔵の制御を行って核融合炉に近い状況を作り、核融合炉における粒子制御に資する研究を進めています。本グループでは、QUESTで得られる知見を核融合炉心プラズマに外挿できるように、粒子輸送の物理機構を物理学の基本法則に基づいて理解することを目指して研究を進めています。
プラズマの閉じ込め研究
プラズマ中の熱や粒子の流れ（輸送）を理解するには、輸送を引き起こしている物理量を知ることが必要です。磁場閉じ込め高温プラズマにおける熱や粒子の輸送はプラズマ中に発生する乱流と呼ばれる揺らぎによると考えられています。そこで、 本研究室では、生成されたプラズマの密度と温度を測定するための計測器や、乱流及び乱流に大きな影響を及ぼす電場を測定するための計測器の開発を行っています。ただし、対象とするプラズマは100万℃以上になりますので、計測は非接触で行う必要があります。非接触計測を実現するために、電磁波（レーザー光、マイクロ波）、粒子（イオンビーム）を用いた計測器があります。本研究室では
- 電磁乱流計測のための重イオンビームプローブ（HIBP）およびマイクロ波反射計の開発
- 電子温度、密度計測のためのトムソン散乱計測システムの高度化
乱流と直接計測と、理論・数値シミュレーションとの比較を通じたプラズマ閉じ込めの物理機構の解明を進めていく計画です。
QUEST制御システムの開発
QUESTトカマクは、制御のための磁場発生用コイル、加熱機器、燃料供給を備え、かつ他に例を見ない温度制御のできるプラズマ対向壁を有し、長時間の放電が可能であるという独創的な装置です。本研究室ではこのQUESTを用いて、将来の核融合炉への応用も視野に入れ、機械学習を用いたプラズマの形状の実時間評価やそれに基づいた制御手法の開発を進めています。主に下記のような制御システムに関連する研究課題に取り組んでいます。
- 機械学習を用いたプラズマの位置・形状の実時間同定およびその制御
- 長時間データ収集および実時間計測
- CIP数値シミュレーションによる熱ガス流制御解析
- ニューラルネットワークによるプラズマ位置制御および時系列予測
- トカマクプラズマ位置・断面形状の磁気センサーレス制御
- コーシー条件面法を用いたプラズマ位置／断面形状の再構築
- 除熱と排気のためのダイバータ配位プラズマの生成と制御
QUESTトカマクで生成されたトーラスプラズマの画像と開発した平衡計算コードによって計算された磁気面
球状トカマクプラズマの閉じ込めの物理機構の解明
球状トカマクは、下図のように国際熱核融合実験炉(ITER)をはじめとする標準的なトカマクと同じようなドーナツ型の形をしているにもかかわらず、不思議なことにその閉じ込め性能の磁場強度依存性やプラズマ電流依存性、衝突度依存性は大きく異なっています。実用面からは、このようなパラメータ依存性の違いは将来の核融合炉の設計の方針に極めて大きな影響を与えるため、その原因の解明は喫緊の課題です。そのため、世界各国で装置間比較実験や数値シミュレーションによりその解明のための研究が続けられています。QUESTは一つの装置で球状トカマクから標準的なトカマクまでプラズマ形状を変えられる可能性を持つため、乱流計測システムとプラズマ形状制御システムを用い、プラズマの形状が閉じ込め性能に影響を及ぼす原因の解明のための研究を実施しています。
標準的なトカマクと球状トカマクの形状