～核融合研究の未来に向けて～

大学共同利用機関としての核融合科学研究所への期待

安 藤晃

東北大学工学研究科

ＮＩＦＳ ユニット構築セミナー
2021.07.29

１簡単な自己紹介

2

出身は京大・理・田中研（ＷＴ－２，３トカマクとＥＣＨ実験）
ＥＣＣＤ実験やジャイロトロン開発
１９８７－１９８９名古屋大学 プラズマ研究所
ＮＢＩ実験と負イオン源開発 （第一実験棟）
ＪＩＰＰＴ－ＩＩＵ，ＣＨＳ，ＳＰＡＣーＩＩ，ＲＦＣ－ＸＸ，・・・

１９８９－１９９４

核融合科学研究所

プロジェ
クト研究

ＮＢＩ実験と負イオン源開発
土岐サイト 加熱実験棟
１９９５－現在

東北大学 工学研究科
ＭＰＤ（高密度プラズマ流源）を用いたプラズマ流れ実験
電気推進研究（磁気ノズル重畳型ＭＰＤ，Ｈａｌｌ thruster,高速流中のイオン加熱加速,・・・）
ＲＦ負イオン源開発（ＮＢＩ用）
大学でのビーム光中性化、ＲＦビーム加速（シミュレーション＋実験）
研究

プラズマ＋加熱（大電力）技術

スピンオフ研究へ

核融合科学研究所 ユニット構想• 未来志向であること （既存のテーマの後追いでない）• 目標を具体的に示しいること （永遠のテーマでない）• 1０年後に学術界に輝くテーマに育つこと （月並みでない）• 多様な「個人のテーマ」を包摂できること （独りよがりでない）

3

規模感として１千万のテーマか？
１億円のテーマか？
１０億円のテーマか？

日本での核融合研究体制（大型装置）

4

双方向

その他
北海道大、東北大、東大、日大、東工大、名古屋大、富山大、広島大、・・・各大学にプラズマ研究拠点がある。

双方向

双方向

双方向

国内外の共同研究をベースとした研究展開と人材育成

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多彩なユニット構築（核融合研究以外の分野にも展開を期待）

ポストＬＨＤ
シミュレータ
炉工・工学応用

プラズマ基礎、応用工学分野への展開と連携

国内外の共同研究ネットワークを利用した学術研究と人材育成の推進

核融合技術を活かした研究展開

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２０３０カーボンフリー時代に向けた科学技術戦略

https://www.ggi.tohoku.ac.jp/

燃料アンモニア産業
水素産業（利用、輸送、製造） 半導体・情報通信産業住宅・建築物産業
船舶産業
自動車・蓄電池産業
洋上風力発電カーボンリサイクル産業
航空機産業
資源循環関連産業

東北大学 非平衡プラズマ学際研究センター

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センター長 金子俊郎教授

４つの幹（基礎、材料、医工、農工）

医工

農工

8

基礎・航空宇宙材料

多彩な研究展開が期待できる

プラズマフロンティア科学部門
物理現象

技術開発

プラズマ推進機• プラズマ生成・制御技術• プラズマ・磁場
相互作用• プラズマ乱流
輸送物理• 高周波技術• プラズマ源開発• 大推力化• 高効率推進機• システム開発• シミュレーション• 実証試験

プラズマアクチュエータ

高周波・ナノパルスプラズマ生成・制御

プラズマ

安藤・大西・加藤・高橋• 放電現象• 放電物理シ
ミュレーション
• プラズマー流体相互作用• 流体科学• ナノパルス電源開発• 流体シミュレーショ
ンコード開発• 航空機実証試験

9プロトタイプ・実用化開発

大電力プラズマ推進機

宇宙ゴミ除去衛星

火星飛行機

スピンアウト研究浅井・野々村・高奈
地球・惑星科学

プラズマプロセス電気推進（推力と比推力）10

種々の宇宙推進システム

107化学推進推力密度(N/m2)

106
10

原子力推進

MPDスラスタ

5

104103102

ＤＣアークジェット
レーザー推進ホールスラスタ10

イオンエンジン

パルスプラズマ1
化学ロケット噴射

ＤＣアークジェット

210ＭＰＤスラスタ

103104比推力(sec)

ホールスラスタ105

レーザー推進機

イオンエンジン

電気推進（イオン加速）

11
静電加速

電磁加速

Hall Effect Thruster

Ion Engine

Magneto-Plasma Dynamic (MPD)NASA
日本のイオンエンジンはＮＢＩ
イオン源のスピンアウト技術

中和器

無電極プラズマ加速（磁気ノズル）

ＲＦプラズマ生成
磁気ノズル

１

高周波イオン加速を用いた推進技術開発

13

VASIMR型推進機
Helicon Plasma Source

Magnetic Nozzle ICRF Heating

RF Power

イオンサイクロトロン波VariablePlasma
ProductionPlasma
Heating

ThrustSpecific
Impulse

Variable Isp (more than 10000sec)
controlled by RF power distribution
no electrode system

磁気ノズル
加熱

加速

東北大での研究 高周波加熱と磁気ノズル制御の実証
 Ｈｅ及びＨでの研究成果→ ＡｒやＫｒなどの利用へ ＭＰＤから完全ＲＦ化へ→ ＦＥＴ電源を用いたＲＦプラズマ生成

VASIMR 開発 VX-200 (AdAstra社, USA)

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Chamber: 24 m3, Pump: 150 kL/s

https://www.adastrarocket.com

VX-200SS : 80kW RF
endurance test for
80hours (2021 June)核融合＋宇宙推進（核融合ロケット研究）

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飛行距離と時間に対する比出力

D +3 H e

海王星

パルス核融合ロケット

土星

地球

核融合ロケット
大推力＋高比推力＋発電が同時に可能。

レーザー核融合ロケット
VISTA宇宙船

レーザー核融合ロケットに向けた共同実験

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阪大レーザー研と九大、ＩＨＩ社などが参画した共同実験
九大、IHIエアロスペース、光産業創成大、阪大レーザー研、広島大、パデュー大、明石高専

九大 中島、山本、森田、他

http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/No-11-1.htm

プラ核学会誌（Ｒ０３、１０月号）に特集記事を準備中

Fusion rocket research

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火星木星

https://www.space.com/
The Princeton Field Reversed
Configuration device, the PFRC-2, atPrinceton Plasma Physics Laboratory
核融合推進の魅力は、ペーロード比（ロケット質量に対する搬送可能な質量比）が高いという電気推進の特性を持ったまま搬送可能質量が大きいため、短期間で大量の荷物を他天体に運べること。
宇宙航行におけるゲームチェンジャー
ＮＡＳＡは2039年に有人火星探査用として原子力を利用した推進機開発を進めている。核融合ロケットはその重要なオプション。
共同研究に参画、推進する方募集中
FRC+磁場慣性核融合、Fission-Fusionハイブリッドターゲット+磁場慣性核融合、・・・
方式は違えど、要素技術は同じプラズマアクチュエータ

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プラズマを翼面上で発生させ，剥離した気流の制御を行う
付着流れ ＝ 揚力が発生している

ＤＢＤ放電（大気圧プラズマ）

フラップ(高揚力装置): 翼面積を増やすことで揚力を増す装置

剥離流れ ＝ 揚力が発生していない
飛行機の翼面にプラズマを発生

昨年からノズルを新しくした小型風洞

剥離領域
流れの速度が低下し、逆流が発生してしまっているプラズマアクチュエータ

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火星探査飛行機
軌道衛星やローバーにはできない高解像度でかつ広範囲をカバーする探査を行う。
ARES (NASA Langley)
火星は地球に比べ、低密度であり、大気温度が低い
マリネリス峡谷（幅100-200km,深さ2-7km）
http://marsairplane.larc.nasa.gov/multimedia.html

JAXA/ISAS
東大李家研
Plasma Actuator Concept

低Re数
高Mach数
マリネリス峡谷（幅100-200km,深さ2-7km）

プラズマアクチュエー
タによる気流剥離・失速防御が重要視

概念図
http://flab.eng.isas.jaxa.jp/research/class/03_Mars.html

次世代ＮＢＩに向けて

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Schematic of ITER A neutral beam injection (NBI)
system is a powerful tool forheating a fusion plasma.
 The neutralization efficiency
from negative hydrogen ions
are much larger than frompositive ions for the beamenergy of 1 MeV.
RF beam source
Photo-neutralizer

Negative ions

Positive ionsRef : Y. Takeiri, high energy acceleration seminar OHO
text (2007)

ＲＦ負イオン源開発

21FET-RF system

PRF=20 kW, CW, f RF<0.5 MHz
A. Ando et al, Rev. Sci. Instrum., 81(2010).

54ne with Bz

18-3n (10 m )ne w/o Bz
 Source diameter : 70mm.
3 A high density (ne>1019m-3)H2hydrogen plasma was produced by
B =132 G
RF (f=0.3MHz).
1
p=2.0 Pa
z=255 mm
 Helicon wave (m=0) was detected
00
5
10
1520
in the expansion region with axial
P (kW)
RFB-field.
Density increase with axial B-fielde2z

ＲＦ負イオン源開発

22
 Source diameter : 230 mm
 Permanent magnets are
installed on the diffusion
chamber.
 RF power is applied by theFET-PS.
(f=0.3MHz, P=30kW)

Source length :300 mm

Source diameter
230 mmExpansion region
200×300×400 mm3ITER NBI

光中性化セル開発（ＰＩＣコード開発）
Laser

Ion beam

23
Beam plasma

r [m]

DD0D+

Ions
Electrons
Electrons(stripped)

Particle fraction in the neutralizer
Neutral gas : 0.5

0.8

Efficiency

r [m]

Laser
10kW

0.6
0.4
0.20Ion source

z

中性化効率
77.2%

1

outpu
tD+

D

D0

10 kW

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4z [m]Laser(10kW)

ユニット構築セミナー（草野完也先生資料）

プロジェクト研究はどこか？
組織のミッションだけか？

24ユニットからプロジェクトへ・ プロジェクト研究は、自分で構築できる。
（大学研究機関はそうしている。ＮＩＦＳもそう。）
・ プロジェクト規模が大きくなると、仲間が必要。
（自分で雇用するか、共同研究者を集めるか。）
・ プロジェクト研究が、所属組織のミッションと合っているか。
（100%の適合はない。組織ミッションも多様化の時代。外部資金、外部評価の重要性大）放物線の２つの焦点
・ プロジェクト研究をゼロベースで始めるか、スピンアウトではじめるか。
・ 研究対象の規模感
・ 既存課題への挑戦とするか、課題設定から始めるか・ 研究者個人の強みを生かせるか。（迎合ではなく）ユニット構築の条件
未来志向、具体的な目標値、テーマの魅力性、研究発展性
プロジェクト研究にとって必要な要素

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