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。
また、磁場閉じ込めプラズマは非線形非平衡系であり、乱流のような非常に複雑な振る舞いを示しながら、それらの非線形結合を介すなどして美しい構造を作り出すと言った物理学的にも非常に興味深い現象を内包する研究対象です。現代科学のフロンティアの開拓を目指した研究も進めていきます
QUEST用重イオンビームプローブ(HIBP)の開発
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によると考えられています。そこで、 乱流に伴う電位揺らぎ、密度揺らぎ、磁場揺らぎを測定するために、高温プラズマ内部においてそれらを同時間、同位置で直接計測できるHIBP(*)の開発を進めています。これによって、乱流による輸送を直接定量的に評価し、理論・数値シミュレーションコードとの比較を通じて物理機構の解明を進めていく計画です。現在設計計算が終了し、必要な機器の設計及び製作を進めています。
(*)HIBPに関してはプラズマ・核融合学会誌に解説記事があります。
QUEST真空容器とHIBPのビーム軌道。青線が入射ビーム、赤線が検出ビームの軌道を表す。
QUESTQUEST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、様々な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。
- 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平衡計算に基づく磁気面
