異相連成現象

プラズマ・物質三態システムの理工学
UT-3 「⾼出⼒パワーレーザーを⽤いた量⼦エネルギー変換の物理」
UT-14 「プラズマ物理学・核融合科学から探求する「創発と消失」の科学」
UT-18 「プラズマ・異相間相互作⽤」
UT-22 「光駆動による物質調和過程の科学」
UT-27 「非平衡交差輸送」
UT-29 「NBI工学とエキゾチックプラズマ科学」の各提案者、共同提案者の皆さんとの議論を基にした提案です増崎 貴
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5 January 2022, S. Masuzaki核融合としての課題• 磁場閉じ込め核融合炉の開いた磁⼒線領域から対向壁へ、そして対向壁を冷却する冷媒、あるいは排気装置を経て燃料主プラズマ 周辺プラズマ循環系に至る系における粒⼦・エネル

ギー・運動量の輸送現象の理解と予測、制御排気系
プラズマ対向壁

冷媒
25 January 2022, S. Masuzaki核融合としての課題• 磁場閉じ込め核融合炉の開いた磁⼒線領域から対向壁へ、そして対向壁を冷却する冷媒、あるいは排気装置を経て燃料主プラズマ 周辺プラズマ循環系に至る系における粒⼦・エネル

ギー・運動量の輸送現象の理解と予測、-ダイバータ板への熱負荷低減、非接触プラズマ形成のため導入する不純物ガス
気体 -壁表面からのリサイクリング粒⼦

制御
排気系

3

プラズマ対向壁

固体 -⾼融点金属、その溶融層
液体 -液体金属

冷媒

固体 -⾼熱伝導率をもつ金属
5 January 2022, S. Masuzaki核融合としての課題• 磁場閉じ込め核融合炉の開いた磁⼒線領域から対向壁へ、そして対向壁を冷却最外殻磁気面を横切る輸送
磁⼒線を横切る輸送する冷媒、あるいは排気装置を経て燃料循環系に至る系における粒⼦・エネル

放射損失

ギー・運動量の輸送現象の理解と予測、制御

エネルギーの輸送

熱伝導異材接合界面の熱抵抗

45 January 2022, S. Masuzaki核融合としての課題• 磁場閉じ込め核融合炉の開いた磁⼒線

最外殻磁気面を横切る輸送領域から対向壁へ、そして対向壁を冷却磁⼒線を横切る輸送する冷媒、あるいは排気装置を経て燃料循環系に至る系における粒⼦・エネル

ギー・運動量の輸送現象の理解と予測、制御

荷電交換
排気系

不純物ガス

リサイクリング
表面再結合
粒⼦反射
蓄積

粒⼦・運動量の輸送5透過5 January 2022, S. Masuzaki

学術的な特徴付け（何の研究だといえるか）• 学術的問い：「プラズマと、固体、液体、気体が接する系において、熱・粒⼦・運動量はどのように輸送されるか、それは予測、制御が可能か」• 主軸となる研究：磁化されたプラズマと物質三態が連成する非平衡・非線形系の物理、輸送現象の物理の研究• 並行して進める必要がある研究：原⼦・分⼦物理、光－物質相互作⽤、分⼦構造形成・制御、プラズマ源、プラズマ計測、異種金属接合、材料分析法、データ解析手法など

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5 January 2022, S. Masuzaki

アプローチ（定式化）• 「２．核融合としての課題」に対して、素過程の理解を得ることにより、これに取り組む。
– 非接触プラズマ生成・維持のための気体とプラズマの相互作⽤– 固体あるいは液体対向壁とプラズマの相互作⽤– 対向壁中の粒⼦・エネルギー輸送と粒⼦蓄積– ・・・• プラズマ、固体、液体、気体という異なる状態間にまたがる研究を一つのユニットで行うことにより、それぞれの研究分野間のsynergy効果を促進し、核融合炉の周辺・ダイバータ領域における多様な連成現象の理解に新たな展開をもたらす。

75 January 2022, S. Masuzaki

アプローチ（定式化）2•

非接触プラズマの生成・安定維持– 光とプラズマ（物質）の相互作⽤として捉え、磁⼒線構造とプラズマの熱的不安定性および乱流等の微視的不安定性に起因する輸送の時空間スケールが、原⼦分⼦過程による輻射とどのように相互作⽤しているかという観小林政弘

点からアプローチする。
– この研究には低温⾼密度プラズマ中の輻射輸送や、水素分⼦の回転・振動状態の原⼦・分⼦過程への影響、負イオンの効果などが含まれ、トーラスプラズマの密度限界研究にも関わる。

分⼦活性化再結合速度係数の水素分⼦の振動準位への依存性
信州大澤田先生– 電磁誘導透過(EIT, Fano効果)等を⽤いた光によるプラズマの光学的特性の積極的な制御へと発展させる。

85 January
小林政弘 2022, S. Masuzaki
電磁誘導透過の概要図

アプローチ（定式化）3•

固体あるいは液体金属壁とプラズマの相互作⽤– プラズマ照射による表面微細構造の変化や、中性⼦照射による固体材料の物性の変化による相互作⽤の変化を、中性⼦照射材や重イオン照射材へのプラズマ照射を行い、表面微細構造、照射損傷の詳細な分析から明らかにする。
– 原型炉の次を見据え、液体金属で構成するプラズマ対JETのダイバータ板で観測されたミクロな損耗・堆積分布
M. Tokitani et al, FED 2018

向壁について、プラズマと液体金属界面の不安定性、液体金属中の水素同位体やヘリウム蓄積に注目して研究を進める。

シムレーションで得られたケルビン-ヘルムホルツ不安定性によるプラズマと溶融タング
ステン界面の波の成長と液滴の発生
G.Miloshevsky and A.Hassanein, JNM 20119

5 January 2022, S. Masuzaki

アプローチ（定式化）4• 対向壁中の粒⼦・エネルギー輸送

0.06 dpa– 対向壁中の水素同位体・ヘリウム挙動について、中性⼦照射損傷の影響や、プラズマ対向面と冷却管間の急峻な温度勾配下での挙動に注目した研究を行う。

中性⼦照射の有無とプラズマ照射時間によるタングステンからの重水素放出特性の変化
M. Yajima et al, Nucl. Mater. Energy 2019

• 粒⼦・エネルギー輸送制御– タングステンやタングステン合金と低放射化材の異材接合など、工学的な研究を行う。

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複数回のろう付けによる複雑構造の作成

Tokitani etal, Nucl.
2021
5 M.
January2022,S.Fusion
Masuzakiアプローチ（定式化）5• 理論・シミュレーション– 国内外の研究者と連携し、光と原⼦・分⼦の主プラズマ 周辺プラズマ

相互作⽤には量⼦⼒学理論、固体原⼦分プラズマ輸送
流体プラズマ・中性粒⼦輸送コード、PIC⼦の動的な振舞には分⼦動⼒学法、周辺プラズマ輸送には流体プラズマ・中性粒⼦輸送

中性粒⼦（水素原⼦・分⼦）の輸送過程
by 中性粒⼦輸送コード＋
衝突輻射モデル

コードやPICを⽤いたシミュレーション研究を行う。
プラズマ対向壁

分⼦動⼒学に基づく
水素プラズマ対向壁
リサイクリングモデル

冷媒
115 January 2022, S. Masuzaki

アプローチ（定式化）6• 実験及び理論・シミュレーション研究の成果を統合、モデル化し、周辺プラズマから非接触領域の弱電離プラズマ、プラズマ対向壁、そして冷媒に至る多様な現象を繋ぐ予測精度の⾼い熱・粒⼦・運動量輸送シミュレーションを可能とする。
• 研究を進めるために必要な、プラズマ源、プラズマ計測、異種金属接合法、材料分析法、データ解析手法の研究を並行して行う。
• 大学共同利⽤機関の役割を意識し、特徴ある装置、所外研究者にとって魅⼒的な装置の開発も進める。

• 双方向拠点をはじめとする大学等や自然科学研究機構の各機関、QST、海外研究機関での共同実験・共同研究を推進する。

125 January 2022, S. Masuzaki

学際的展開• プラズマ中や壁材料中の粒⼦輸送研究は、例えばソレー効果のように複数の勾配が駆動する「非平衡交差輸送（クロス効果）」など、他分野との協同ができる。
・ソレー効果（濃度勾配、温度勾配のカップリング）
・材料界面（金属接界面や結晶粒界における、並行・垂直拡散と熱拡散や空孔拡散の交差）

・非局所輸送（平行方向、垂直方向の拡散のカップリング）
・非拡散的輸送・選択的粒⼦輸送、水素・ヘリウム分離・プラズマ中の温度勾配による熱応⼒ thermal forceによる不純物のダイバータから上流への輸送

135 January 2022, S. Masuzaki

学際的展開•プラズマと固体あるいは液体界面では、母材、界面、そしてプラズマへと「多層間」でのフォノン・フォトン・電⼦の受け渡しがあり、多層間の多様な相互作⽤が起きている。このように複雑な系を現す数理モデルの構築のため、半導体プロセッシング・物性物理・光物性物理・統計基礎論などの分野を横断した共同研究を展開できる。

•非接触プラズマにおける原⼦・分⼦過程の研究で得られる「光とプラズマ」に関する知見を、弱電離プラズマの総合理解、光によるプラズマ物性の計測・制御法の確⽴、固体・ソフトマター（生体分⼦）等物質との相互作⽤の解明、プラズマ中の化学物質の形成・分解過程などの研究に適⽤する。さらに「光とプラズ
マ」に関する知見は、プラズマバイオや、SDGs、ひいては宇宙空間における生命材料物質の形成メカニズム解明などへも発展し得る。

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5 January 2022, S. Masuzaki

学際的展開• 研究対象となる現象のアナロジーを活⽤し、例えば熱プラズマや、液体金属を⽤いたプラズマプロセスへの展開も考えられる。

• 本テーマで⽤いる、あるいは新たに開発する機器や実験・計測手法などを他分野の研究に適⽤した新たな展開も期待できる。

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5 January 2022, S. Masuzaki独自性、優位性など•

基礎プラズマ、核融合プラズマ、材料、水素同位体、そして理論シミュレーションの研究者の共同提案であること•「２．核融合としての課題」で述べた研究を主軸として多様な研究テーマを包摂することができること•

既設の設備である、直線型プラズマ装置Hyper-IおよびTPD-II、熱負荷試験装置ACT2、NBIテストスタンド等を⽤いた実験、集束イオンビーム装置、透過型電⼦顕微鏡、イオンビーム分析装置など表面分析機器群を⽤いた試料分析、これまで開発および導入してきたコードを⽤いた計算機シミュレーション研究が協同して進められること•

LHD実験で蓄積された膨大なデータを活⽤できること•

核融合炉の実現のために必要な中性⼦照射影響について、日米協⼒事業による共同研究が進んでいること、
また、プラズマと固体壁相互作⽤に関して、東北大学大洗センターを主たる実験室として、大学間共同研究を進めていること•「光とプラズマ」に関する知見を活かし、分⼦研との共同研究や名大低温プラズマセンターとの共同研究など、学際的な共同研究を進めていること

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5 January 2022, S. Masuzakiまとめ• 核融合研の新しい研究体制であるユニットの、一つの研究テーマとして、プラズマ・物質三態システムの理工学、を提案している• 研究の主軸は、核融合炉における周辺プラズマからプラズマ対向壁、そして冷媒・排気系に至る、エネルギー、粒⼦、運動量輸送の理解と予測、制御であり、素過程の研究の融合によりこれを進める• 多様な研究テーマを包摂できる• 双方向拠点をはじめとする大学等や自然科学研究機構の各機関、QST、海外研究機関での共同実験・共同研究を主導し、推進してまいりたい

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5 January 2022, S. Masuzaki非接触(デタッチメント)プラズマの安定維持：光とプラズマ（物質）の相互作用➢ デタッチメントは熱的不安定性によって駆動され、デタッチメント運転の安定性はプラズマの熱的安定性に強く依存する。

➢ 磁場構造との関係：セパラトリクスのX点付近で放射損失が促進されることが様々な装置で観測されている。

磁場構造と熱的不安定性➢ デタッチメント時の周辺領域:
𝑅~ 100, Te ~ 10-100 eV → 𝛽෨ > 1, 𝜇෤ > 1, 𝐶 > 1
𝐿⊥

電子は非断熱的→ ドリフト波による輸送抵抗性MHDモードの不安定化

−2/3
−2/3
𝛾𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑒 ∝ 𝜂1/3 𝐿⊥ ∝ 𝐿⊥ 𝑇𝑒−0.518

原子・分子過程による輻射
ドリフト波乱流

電磁乱流

磁力線構造とプラズマの熱的不安定性、乱流等の微視的不安定性に起因する輸送の時空間スケールが、原子分子過程による輻射とどのように相互作用しているか？

東北大学大洗センターにおけるプラズマ・固体間相互作⽤研究

0.06 dpa

CDPS-管理区域内に設置-中性⼦照射試料の分析が可能-⾼密度定常重水素プラズマ（～1018 m-3, Te~10eV, プラズマ
コラム直径~20mm）が生成可能-プラズマ照射後、試料を大気に曝露することなく昇温脱離ガス分析の実施が可能
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TMAP7M. Yajima et al, Nucl. Mater. Energy 2019

5 January 2022, S. Masuzaki

液体金属プラズマ対向壁研究
液体金属PFMは成立するか？
そこで何が起きるか？

液体金属PFC・トカマクでの実績
・複数の先進的提案→基礎研究は少ない

 整備すべき基礎データ
 スパッタリング・粒子反射/侵入係数
 金属・水素化物蒸気形成

 複雑現象の理解
LTX (LithiumTokamakeXperiment)

NSTX LLD

CLiFF in ARIES-RS(Liquid Lithium Divertor) M.A. Abdow, FED 54 (2001) 181

装置/計測
TPD-II (NIFS)・直線型プラズマ
・可視~VUV分光、プローブなどのプラズ
マ計測システム/ノウハウ
Oroshhi-2 (NIFS)
・LiPb(融点～230℃)
・~130 L,定常循環・CFD(ANSYS)

 水素化物形成を含む表面反応(水素の再結合・放出・水素化物形成/分解）
 流体内でのプラズマ駆動拡散(流体力学+表面過飽和) プラズマへの影響（局所リサイクリング・蒸気遮
蔽・原子分子過程）

 新現象の探求とメカニズム解明
 水素プラズマによる発泡現象

 液体金属PFCの実現可能性
 液体金属流の排気性能と熱除去性能
 磁場中での流動中のMHD
 液体金属流ダイバータ構造の探求

4m
2~3年程度での実験立ち上げを予定

固体・中性粒子輸送・プラズマ相互作用のシミュレーション
Figure 13 from Y. Hayashi et al 2016 Nucl. Fusion 56 126006 doi:10.1088/0029-5515/56/12/126006

分子活性再結合（Molecular Assisted Recombination: MAR ）荷電交換再結合：解離性再結合：光の輻射・吸収目標

非接触プラズマ！
中性粒子輸送プラズマ(by XGC/ PIC etc)

水素
原子分子

炭素材
タングステン
ステンレス

固体・中性粒子輸送・プラズマ相互作用のシミュレーション

中性粒子（水素原子・分子）の輸送過程
by 中性粒子輸送コード＋衝突輻射モデル

分子活性再結合（Molecular Assisted Recombination: MAR ）荷電交換再結合：解離性再結合：光の輻射・吸収目標

非接触プラズマ！
中性粒子輸送プラズマ(by XGC/ PIC etc)

水素
原子分子

炭素材
タングステン
ステンレス

分子動力学に基づく
水素プラズマ対向壁
リサイクリングモデル

Figure 13 from Y. Hayashi et al 2016 Nucl. Fusion 56 126006 doi:10.1088/0029-5515/56/12/126006

多層間相互作用の例（光・物質相互作用の輻射減衰）

光の場
電場：

磁場：マクスウェル方程式

相互作用
ローレンツ力

物質粒子系
位置：

速度：

ニュートンの運動方程式＝＞反作用による電子の輻射減衰。
物理学の根本問題との関連（不可逆現象、時間対称性の破れ）
・放射減衰に対する現象論の問題
Abraham-Lorentz方程式 ：３階微分項i) runaway solution：発散する解ii) preacceleration：因果律が崩壊 (Dirac 1938)◉力学原理に基づいた放射減衰の理論：物質・光の複合系としての厳密解
・量子論：拡張ヒルベルト空間におけるハミルトニアンの複素固有値問題
固有エネルギーが複素数＝＞ 指数減衰の解 ペトロスキーら(1991)
・古典論：古典的ボゴリュボフ変換による複素ノーマルモード
固有振動数が複素数＝＞ 指数減衰の解 ペトロスキーら(2003)

多層間相互作用の例（光・物質相互作用の輻射減衰）光の場
電場：

磁場：

マクスウェル方程式

相互作用
ローレンツ力

物質粒子系
位置：

速度：

ニュートンの運動方程式＝＞反作用による電子の輻射減衰。
物理学の根本問題との関連（不可逆現象、時間対称性の破れ）
・放射減衰に対する現象論の問題
Abraham-Lorentz方程式 ：３階微分項i) runaway solution：発散する解ii) preacceleration：因果律が崩壊 (Dirac 1938)

これらは、１体＆１次元系の解析のみ。
◉力学原理に基づいた放射減衰の理論：物質・光の複合系としての厳密解
・量子論：拡張ヒルベルト空間におけるハミルトニアンの複素固有値問題
固有エネルギーが複素数＝＞ 指数減衰の解 ペトロスキーら(1991)
・古典論：古典的ボゴリュボフ変換による複素ノーマルモード
固有振動数が複素数＝＞ 指数減衰の解 ペトロスキーら(2003)

プラズマ中での多体効果＆３次元系解析へ拡張！
By 理論・Simulation＋実験測定光による原子・分子過程の制御
これまで、光は主にプラズマを乱さない計測として使われてきた→積極的にプラズマに影響を与える新たな制御手法：外部からの電磁波(光)入射によって積極的に原子・分子過程を制御
例えばEIT|3>・電磁誘導透過(EIT, Fano効果)の応用による透過率の制御
外部からの光入射により、光吸収が起こらない状態を作り出す カップリング光→原型炉の光学的厚さの制御
|2>

プローブ光

|A>

|B>
光吸収が起こらない|1>・誘導ラマン散乱 (SRS)による分子の振動状態の制御
外部からの光入射により、分子の振動励起状態を作り出す→分子活性化再結合の促進|3>

下準位1, 2の量子力
学的重ね合わせSRS
仮想励起状態ストークス光・光渦と原子・分子過程の相互作用
近年の技術開発により可視域、ミリ波→VUV、X線、γ線の光渦が可能→ 波長 ≤ 1Å →原子・分子内の電子との相互作用装置：
HYPER-I 、UVSOR、CoBIT(?)、TPD-II(?）
新たにテーブルトップ装置を製作

励起光

振動励起状態
基底状態

計測：
分光、吸収分光
LIF25プラズマバイオ, SDGs, 宇宙空間における⽣命材料物質の形成メカニズム解明への展開
分子の振動状態が化学反応速度に影響を与える例：
CO2 ＋H → HCOO
反応速度はCO2の振動エネルギーとともに増加。

光、プラズマ等を用いた酸素の⽣成、CO2を分解する試み:
ソーラー燃料(Solar fuel), OPTIMiSm, MOXIE …
光触媒によるH2O2(ソーラー燃料)の⽣成

K. Mase et al., Nat. Commun. 7:11470 (2016).

OPTIMiSm
初期反応確率, P0= Plasmolysis + electrocatalysis+ electrochemical separation membrane

プラズマを用いたCO２の分解：2CO2 → 2CO + O2

CO2の平均振動エネルギー
J. Quan et al., Nat. Chem. 11 (2019) 722.

https://list.solar/solar-fuel/https://www.ipfn.tecnico.ulisboa.pt/OPTIMiSm/index.html
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/26プラズマバイオ, SDGs, 宇宙空間における⽣命材料物質の形成メカニズム解明への展開
星間・星周媒質で130種以上の有機物が確認されている → アミノ酸前駆体の形成、⽣命の起源
H. S.P. Mueller et al., J. Mol. Struc. 742 (2005) 215.

星間物質の化学進化におけるプラズマー固体相互作用の重要性：
プラズマや紫外線、宇宙線が星間微粒子に照射され、微粒子固体表面を“触媒”として作用させることで化学反応が促進する
未解明の課題：プラズマ中の電磁場と光による原子・分子過程（光解離、光分解、光励起）の相互作用が有機物分子の形成にどのように影響するのか？
・有機物のラーマ運動と光の向き、偏向の向きによる影響
偏光ビーム等を照射したときのホモキラリティの⽣成への影響
分子の光吸収が光の進行方向と磁場ベクトルの平行・反平行によって変化する磁気キラル二色性の影響
・磁場構造の影響（磁気島、ストキャスティック磁場）、磁場強度の影響
27・プラズマパラメータ（温度、密度、電離度）の影響

プラズマバイオプラズマの直接照射が⽣物に与える影響の研究

真核モデル⽣物（分裂酵母：S. pombe）への照射

⽣物に直接照射可能なプラズマジェットの開発（基⽣研、アストロバイオロジーセンター）（核融合研、名大低温プラズマセンター）•

プラズマ直接照射による遺伝子発現変化の網羅的解析•

プラズマ耐性変異体の単離と解析

プラズマ耐性変異体は野生型株の増殖を著しく阻害するプラズマに耐性を示す

プラズマ耐性変異体は細胞分裂に異常を示す→ 変異の原因遺伝子の決定
細胞分裂終盤に働く遺伝子群の発現を制御する転写因子に欠損？

プラズマに対する細胞応答の遺伝子レベルでの解明

ペルチェ素子により放電部へ導入するガス温度を制御することにより、照射対象の温度を長時間室温に保つことに成功
真空紫外吸収分光による酸素・窒素単原子計測
レーザー誘起蛍光法によるラジカル（活性種）計測

より複雑な高等真核生物へと研究を展開

・分裂酵母で見出したプラズマ耐性関連因子の哺乳類相同因子の解析