複合系プラズマ研究分野

エネルギー機能変換研究部門 複合系プラズマ研究分野
准教授:門 信一郎 助教:山本 聡
粒子集団および波動媒質の性質をあわせもち、様々なスケールの現象が複合的に支配する魅力的なプラズマの世界の解明、応用を目指します。


「水素同位体の核融合反応により質量からエネルギーを取り出して発電に利用する」制御熱核融合は豊富な資源、小さな環境負荷、核拡散抵抗性などの観点で有用な将来のベースロード電源になり得ると考えています。その実現にはプラズマを磁場で高温高密度に閉じ込めるための研究が大きな役割を担っています。
 主に気体を電離させて生成される「プラズマ」は電子・イオンからなり集団運動をしている物質状態(物質第4の状態)で、宇宙の既知の物質のうち99% 以上はこの状態にあります。プラズマの研究は、その粒子的な特徴が強く現れる側面においては個々の粒子のエネルギー分布や磁場中の軌道などがターゲットとなります。一方、流体としての性質が色濃く現れる側面では不安定性や乱流現象を見出すことがテーマとなります。本研究分野では、ヘリカル型プラズマ実験装置「ヘリオトロンJ」において、そのような複合的な側面をさまざまな計測によって可視化したり、シミュレーションで再現したりして解明します。さらには、磁場構造や加熱、粒子補給の諸条件を外部から積極的に変化させプラズマの粒子や光、波動の応答を観測し、制御することにより、プラズマの閉じ込め性能の向上を目指します。

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光(電磁波)は加熱・制御・計測といったプラズマ研究の様々な場面で活躍し、本研究分野では、赤外線からX 線までの広範囲にわたるプラズマからの電磁波放射計測により、複合系プラズマの物理機構解明を進めています。

プラズマの本性を光で探る

プラズマが発する光は密度、温度、イオン種、ゆらぎ、など多くの情報を有しており、プラズマの時間・空間的な振る舞いを調べるのに有効です。敵(プラズマ)を知り、己(計測法、データ解析手法)を知ることで、誰も見たことのないプラズマの本性を攻め取ることができると信じています。

元素や電離状態によってかわるプラズマのスペクトル像

簡易な分光フィルムを通して肉眼で観測しても水素プラズマ(H2)とヘリウムプラズマ(He)とのスペクトルの違いがよくわかります。高感度・高分解能分光器により得られるプラズマの情報は膨大です。

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揺動抑制による磁場閉じ込めプラズマの高性能化

高温プラズマ中に現れる種々の揺れ(揺動)を制御・抑制することでプラズマの高性能化を図ることを研究目標としています。それら揺動の中にはプラズマの二面性である粒子と波動が共鳴的相互作用を起こす物理的にも興味深い現象に起因したものもあり、それら物理現象の解明を目指した研究をプラズマ実験と数値シミュレーションにより進めています。

粒子と波動の共鳴的相互作用

プラズマ中の電磁流体波であるねじれアルヴェン波が同速度の高速イオンとの共鳴的相互作用により励起されたことを示す実験結果。この揺動による高速イオン損失が将来の核融合炉で問題視されています。

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