複合系プラズマ研究分野

エネルギー生成研究部門 複合系プラズマ研究分野
准教授:南 貴司 准教授:門 信一郎 助教:大島 慎介 教授(兼):長﨑 百伸
プラズマは粒子性と波動性の二面性を持つ複雑系で、その物理機構の解明と応用を研究しています。

「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、波動や乱流の応答を観測し、データ分析し、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。

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。

大電力イオン源を用いた中性粒子ビーム入射システム

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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最先端レーザー光学技術を利用して超高温プラズマの温度と密度を知る

プラズマは超低温から超高温、超希薄密度から超高密度までのスケール空間に存在していますが、正確な密度と温度を知ることができれば、本性を特定することができます。最先端のレーザー光学技術を発展させ、1億度にもなる、いかなる計測機器も挿入不可能な超高温プラズマの本性を、あばきます。

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スペクトル解析によるプラズマ乱流・輸送現象の解明

プラズマ中の粒子は決して平穏ではなく、粒子と波動が共鳴的相互作用をすることによって、つむじ風のようなゆらぎ(微視的乱流)が常に発生して輸送を増やしてしまっています。高温プラズマの高性能化には物理学的にも興味深い乱流渦の発生機構を解明し、抑制することが大きな課題と認識されており、プラズマ実験、データ解析、数値シミュレーションを用いてその解明を目指しています。

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プラズマ中の多彩な揺動の計測と信号解析

様々なスペクトル解析手法を適用すると、乱流渦のサイズや周波数、複数の乱流の関連性などを特定することができます。

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