富岳により、核融合原型炉の実現に貢献する核燃焼プラズマ閉じ込め改善効果を発見名古屋大学ら

名古屋大学大学院理学研究科の前山伸也講師、渡邉智彦教授らの研究グループは2022年6月9日、核融合科学研究所、日本原子力研究開発機構、京都大学と共同で、スーパーコンピューター「富岳」を用いた大規模シミュレーションにより、「マルチスケール相互作用」による核燃焼プラズマ閉じ込め改善効果を発見したと発表した。今回の発見は、将来の核燃焼実験や核融合原型炉の開発への貢献が期待される。

磁場閉じ込め型核融合炉は、円環状の強力な磁場（～5T）を超電導コイルで作り、1億度越の高温、高圧のプラズマを閉じ込める装置で、核融合反応を引き起こし、そこからエネルギーを取り出そうという試みとなる。現在、核融合炉の工学的実証に向けて、国際協力の下、10倍以上のエネルギー増倍率を目指した国際熱核融合実験炉ITERの開発が進められている。

核融合プラズマ中では、プラズマ閉じ込め性能を急峻な密度、温度勾配で生じる乱流が劣化させてしまう問題が知られており、閉じ込め性能を左右するプラズマ乱流の物理機構解明が重要な研究課題となっている。研究グループは世界に先駆けて、イオンが作る乱流に電子が作る極微細な乱流が影響を与えるマルチスケール相互作用を指摘。米欧の実験装置でも検証が進められてきた。

研究では、名古屋大学、核融合科学研究所、日本原子力研究開発機構、京都大学などが共同で開発を進めてきたジャイロ運動論的シミュレーションコードGKVを用いた。富岳で、核燃焼プラズマを想定した高電子温度、多粒子種混合プラズマでのマルチスケール乱流シミュレーションを実行したところ、比較的大きなイオンスケールの乱流揺らぎと、極微細な電子スケールの揺らぎが共存している様子が見て取れた。

今回解析したケースでは、弱磁場側を運動する捕捉電子との粒子/波動共鳴が、イオンスケールの揺らぎを作り出す不安定性で重要となることがわかった。マルチスケール乱流場中でもこの共鳴粒子を解析したところ、電子スケール乱流が作り出す極微細な電場揺らぎで共鳴粒子軌道が乱れ、時に大きな半径方位変位のずれを生むことが明らかになった。

また、乱流輸送束の電子温度依存性を解析した。この際に、従来のイオン、または電子単一スケールシミュレーションとの比較も実施。正味の乱流輸送束に、こうしたマルチスケール相互作用がどの程度影響を及ぼすか、高電子温度となる将来の核燃焼プラズマで影響しうるかを調べた。

その結果、電子温度が高くなるにつれ、電子スケール乱流の寄与が減少していき、イオンスケール乱流の寄与は増大していくという線形理論と一致する傾向が得られた。さらに、マルチスケール相互作用を介して、イオンスケール乱流を電子スケール乱流で制する状況が存在することを発見した。

今回の研究は、スケールが離れた乱流の間の相互阻害性という新たなプラズマ物理学的知見を示唆している。核融合工学の観点から見ると、核燃焼プラズマで想定される電子/イオン温度比1を超える高電子温度領域でも電子スケール乱流が影響を与えうること、特に電子スケール乱流によるイオンスケール乱流の安定化によって乱流輸送束が低減されるパラメータ領域が存在することを明らかにした。

富岳により、核融合原型炉の実現に貢献する核燃焼プラズマ閉じ込め改善効果を発見　名古屋大学ら