不安定プラズマの自己加熱を実証

研究の背景

核融合発電は、発電時に二酸化炭素を排出しない、持続可能なエネルギー源として期待されています。その実現に向けて、世界中で高温のプラズマを磁場によって閉じ込める研究が進められています。核融合反応を起こすには、外部から高エネルギー粒子や波を入射して、プラズマを超高温に加熱する必要があります。いったん核融合反応が始まると、反応によって生じた高エネルギー粒子がプラズマをさらに加熱する「自己加熱」が起こり、外部からの加熱を減らしても高温状態を維持できるようになります。この自己加熱の過程は複雑で、その全体を実証するにはITERのような大型実験装置が必要となり、自己加熱の実証は2040年頃と見込まれています。一方、自己加熱を支える重要なプロセスの一つである「プラズマの不安定性によって生じた波が、プラズマ自身を加熱する」という現象は、現在の実験装置でも検証することができます。今回、大型ヘリカル装置（LHD）を用いた実験により、「プラズマが自ら生み出した波によって、自分自身を加熱する」プロセスを実証しました。この成果は、核融合発電に必要な自己加熱の仕組みを理解する上で重要な一歩となります。

研究成果

これまでは、プラズマが不安定になって波が発生すると、プラズマのエネルギーが失われ、温度が下がると考えられてきました。そのため、プラズマが不安定になるのをどのように抑えるか、という研究が進められてきました。居田克巳特任教授らの研究グループは、こうした従来の考え方から発想を転換し、「不安定性を抑えるのではなく、不安定になったプラズマを詳しく観測し、その特徴を明らかにすることが重要ではないか」と考えました。そこで、不安定なプラズマをあえて発生させ、その状態を詳しく調べました。その結果、プラズマが自ら生み出した波によって、プラズマ自身が加熱される現象を明らかにしました。波が発生すると、プラズマを構成する粒子の動き方(分布関数）に一時的な「歪み」が生じることはこれまでにも分かっていました※４。しかし、その後、プラズマの温度がどのように変化するのかは明らかになっていませんでした。そこで研究グループは、プラズマ粒子の動き方（分布関数）を詳しく調べました。その結果、波によって生じた粒子の動き方（分布関数）の「歪み」が元に戻った後、粒子の動きの広がりが大きくなっていることを発見しました。これは、プラズマの温度が上昇したことを示しています。つまり今回の研究では、「プラズマが不安定になる → 波が発生する → 分布関数に歪みが生じる → 分布関数の広がりが大きくなる（プラズマが加熱される）」という一連の過程を捉えることに成功しました。今回の研究は、不安定性によって生まれた波が、プラズマのエネルギーを失わせるだけでなく、逆にプラズマを加熱することを示したものです。この発見は、核融合プラズマが高温を保つ仕組みを理解する上で、新たな視点を与えるものです。

成果の意義と今後の展開

現在、核融合の「自己加熱」のプロセス全体を実証できる装置は存在しません。「自己加熱」は核融合発電の実現に不可欠な要素であり、その一部のプロセスであっても実証することには大きな意義があります。今回、実験によって捉えた「プラズマの不安定性によって生じた波が、プラズマ自身を加熱する」という現象は、自己加熱を支える重要なプロセスの一つです。この現象を実験的に捉えたことは、核融合プラズマにおける自己加熱の仕組みの理解を進める重要な成果です。さらに、この「波によってプラズマが自らを加熱する」という現象は、核融合プラズマに限らず、地球磁気圏のプラズマでも起こる普遍的な物理過程です。本研究の成果は、核融合と宇宙プラズマという異なる研究分野をつなぐものであり、今後の学際的な研究の発展にもつながることが期待されます。

【用語解説】

※１　プラズマ

固体、液体、気体に次ぐ物質の第4の状態。高温のため原子が電子とイオンに分離し、電子とイオンが自由に運動できるようになった状態。

※２　自己加熱

自己加熱とは、物質の内部で生じたエネルギーや反応によって、その物質自身の温度が上昇する現象。核融合炉では、核融合反応によって生じたエネルギーがプラズマを加熱し、高温の状態を保つ現象を「自己加熱」と呼ぶ。

※３　大型ヘリカル装置（LHD）

核融合科学研究所の主実験装置で、我が国独自のアイデアに基づくヘリオトロン磁場を用いた世界最大の超伝導ヘリカル型のプラズマ生成装置。LHDとはLarge Helical Device の略。1998年3月から実験が開始された。トカマク型のプラズマ生成装置と磁場構造が異なっており、特徴を生かしたユニークな研究を行うことができる。

※４　参考情報

　プレスリリース：波がプラズマの熱を運ぶプロセスを世界で初めて観測

https://www.nifs.ac.jp/news/researches/220929.html