IISSN 1884-1600

NIFS
NEWS

No.2242 0 15>>>J U N /J U L

研 究 最 前 線 ・・・・ 2ー3

古典的なピンホールカメラを用いた先進的なイメージング輻射計測
向井清史

>>>

特集 ・・・・ 4ー6

プラズマシミュレータの更新について
Fusion フェスタ in Tokyo>>>

堀内利得
高畑一也、高橋裕己

会 議 報 告 ・・・・ 7ー8

第28回国際トカマク物理活動（ITPA）計測トピカルグループ会合
秋山毅志

大学共同利用機関法人

自然科学研究機構

核融合科学研究所

第８回磁場核融合閉じ込め装置の定常運転に関するIAEA技術会合（IAEA TM-SSO 2015）報告
久保 伸>>>

ト ピ ッ ク ス ・・・・ 8

第４回自然科学研究機構若手研究者賞を受賞

研究最前線

古典的なピンホールカメラを用いた先進的なイメージング輻射計測
向 井 清 史皆様は輻射という言葉を耳にされたことはあるでしょうか？輻射とは、物体がその温度に対応した光（電磁波）を放出する現象のことを言います。
身近な輻射の一つに、輻射式の赤外線ストーブがありますが、このストーブによる暖房のように、輻射は熱を四方八方へと拡がらせることができます。
現在、研究開発が進められている核融合炉では真空容器内壁の局所的な熱負荷を低減させることが重要な技術的課題です。そのためにプラズマからの輻射を有効利用する手法の研究が進められており、プラズマからの輻射状態を詳細に調べる計測器が必要です。また、大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマは複雑な形状をしているため、カメラで写真を撮るように広範囲の情報を細かく得ることのできる、イメージング計測が重要となります。今回は、このイメージング輻射計測を行う、イメージングボロメータという計測器について紹介します。
ボロメータ（bolometer）の語源は、ギリシャ語の “bole（光線）” + “metron（測る）” です。したがって、イメージングボロメータは、プラズマからの輻射（光）をイメージ（画像）として計測する装置になります。計測対象となるプラズマからの輻射は幅広い波長帯域の光から構成されており、様々なプラズマの情報が含まれていますが、ボロメータ計測では、プラズマからの輻射の総量とその空間分布を調べることを目的としています。NIFS ニュース No.218（2014 年６／７月号）では、特定の波長の光を取り出して計測する分光計測によって、プラズマ中の不純物の振る舞いを調べる手法が紹介されています。一方、幅広い波長帯域のプラズマ輻射を検出するには、光を受け止めて温度が上がりやすい材料（金属薄膜）を炭素コーティングで黒色化した検出器が用いられます。ここで、イメージング計測をする際に問題となるのが、光学系です。一般的なカメラに使われているようなレンズは波長帯域によって特性が異なるため、プラズマからの輻射のような広範囲の波長帯域の画像を撮影しようとすると、波長によって像がずれてしまい（色収差と呼ばれる現象です）、詳細な画像を得ることができません。その解決策となるのが、ピンホー2

ルカメラです。ピンホールカメラとは、図１に示すように小さな穴（ピンホール）のみを用いて撮影する、古典的なカメラです。牛乳パックやお菓子の箱の底に針で穴を開けて、反対側に写真用フィルムを貼って作った方もおられるかもしれません。
このピンホールカメラはレンズを用いていないた
め、波長による像のずれ（色収差）の影響を抑えることができます。したがって、古典的な手法でありながら、実は最先端のイメージング輻射計測に適した手法なのです。

図１：ピンホールカメラの原理。物体はピンホールを通ってフィルムに写し出される。

実際に LHD に設置されているイメージングボロメータの概観を図２に示します。装置は主にピンホールカメラ部と赤外線カメラ部から構成されています。プラズマからの輻射は、８ミリメートル角の正方形のピンホールを通りフィルムに照射されます。ここで、フィルムには、大きさ 13 × 11 センチメートル、厚さ 2.5 ミクロン（１ミクロンは1000 分の１ミリメートル、アルミ箔の厚さが 10ミクロン程度）の白金の薄膜を用いています。先述のように、幅広い波長帯域の光から構成されているプラズマからの輻射を計測するため、白金の薄膜の両面を炭素コーティングし黒色化することで、遠赤外〜軟 X 線領域までの幅広い波長帯域からの光を検出しています。輻射が強い部分はそれだけフィルムの温度が上昇するので、フィルムには温度分布が生じることになります。フィルムは十分に薄いので表裏で同じ温度をしていると考えられるため、フィルムの温度分布を裏側から赤外線カメラで計測します。ここでの光学系は赤外線カメラ用なので、赤外線用のレンズを用いることができます。
このように、赤外線カメラでプラズマを直接計測磁気シールド
赤外線カメラ

真空窓（セレン化亜鉛）
赤外線カメラ部
光学系

2次元
温度分布

白金薄膜
（13cm×10cm×2.5μm）（両面を炭素で黒化処理）

ピンホールカメラ部

輻射（遠赤外〜軟X線）

ピンホール（8×8mm）

ＬＨＤ
プラズマ

ＬＨＤ真空容器

図２：イメージングボロメータの構成図。プラズマからの輻射は、ピンホールを通って薄膜の温度分布として映し出され、赤外線カメラで計測される。

込む、イメージングボロメータの計測視野を図３（ｂ）に示します。プラズマ中心部からの輻射が強くなると磁気軸付近が、プラズマ周辺部からの輻射が強くなるとヘリカルダイバータ X 点と呼ばれる場所の近くが、それぞれ高い値を示すと考えられます。図４（ａ）は LHD プラズマ周辺部に不純物ガスとしてネオン（Ne）を、図４（ｂ）はクリプトン（Kr）をそれぞれ入射し、輻射損失を増加させた実験の計測結果です。計測結果を見ると、クリプトンではネオンと比べてプラズマ中心部（磁気軸）付近での輻射が強くなっていることが分かります。
これは、クリプトンはネオンと比較して高い温度で電離するため、より温度の高いプラズマ中心部で輻射が生じているためであると考えられます。
このように、LHD においてもプラズマに入射する不純物ガスの種類によって輻射が生じる場所を制御できることが分かってきました。今後、イメージングボロメータ等の LHD における計測技術を利用して、不純物ガス入射条件を最適化することでデタッチメントプラズマ等の研究を進展させ、核融合プラズマの研究の発展に貢献することが期待されます。
（高温プラズマ物理研究系 助教）

すると赤外線領域しか計測できませんが、ピンホールカメラと赤外線カメラとを組み合わせることで、幅広い波長帯域のプラズマからの輻射状態を知ることができます。
さて、核融合発電を実現するためには、中心部で１億２千万度を超える高温のプラズマを閉じ込めることが必要ですが、一方、閉じ込めている領域の外側では、周辺部に出てきたプラズマの温度を十分に下げて、あらかじめ決められた場所（ダイバータと呼んでいます）にプラズマを終端させる必要があります。このダイバータの熱負荷を低減すること（ａ）（ｂ）
が、核融合炉実現のための最重要課題の１つとなっ
図３：（ａ）LHD プラズマの上面図と（ｂ）イメージングボロメーています。そこで、中心プラズマの性能を高めるとタの視野図。黄色の点線はプラズマ中心の磁気軸を、赤同時に、周辺部に出てきたプラズマの熱をダイバーの実線とピンクの破線はプラズマ周辺部のヘリカルダイ
バータ X 点の線の上側と下側をそれぞれ表している。
タに至るまでの間に輻射によって四方八方に分散させる（輻射損失を増大させる）ことで、ダイバータへの熱負荷を低減させる運転方法の確立が求められています。この方法である「デタッチメント（非接触）プラズマ」については、NIFS ニュース No.213（2013年８／９月号）に詳しく書かれています。イメージングボロメータは、このデタッチメントプラズマの研究（ａ）ネオン入射時（ｂ）クリプトン入射時における輻射分布計測として、重要
図４：図３の視野で計測した、不純物ガス入射時における輻射損失分布の入射前からのな役割を果たしています。図３（ａ）
増分。ネオン入射時はプラズマ周辺部から、クリプトン入射時はプラズマ中心部のように LHD プラズマを上から見からの輻射がそれぞれ強くなっていることが分かる。

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特集

プラズマシミュレータの更新について
堀 内 利 得核融合プラズマ中には、構成粒子である電子やよると、日本で設置されているスーパーコンピューイオンの運動に起因したミクロスケールの現象かタの中で３番目の演算性能であることを示していらそれらが集団として動くことによって生まれるます。

装置サイズのマクロスケールの流体現象や輸送現今回更新したシステムは、表１に示したように、象までの多数の異なる時間・空間スケールをもつノード（1） と呼ばれる計算機単位 2,592 個を高速現象が混在しています。さらに、これらのスケーネットワークでつないだ並列計算機で、2,592 台

ルの異なる多数の物理過程がお互い絡み合いながのノード全てを使った大規模シミュレーションがら時間発展しているために、実際の核融合プラズ可能となっています。計算に使うことのできる記マ現象は非常に複雑となっています。シミュレー

憶領域としては全体で 81 テラバイト（2）（＝ 81 兆ション研究では、このような複雑な現象をスーパーバイト）を具備しています。この数値は、例えば、コンピュータの中に再現し、核融合プラズマ現象約 800 億個のプラズマ粒子を計算機上で表すのにを支配する物理法則の理解、さらには装置規模で必要となるメモリ容量に対応します。また、大規模のプラズマ挙動を予測することを目指した研究をシミュレーションでは膨大な数値データが生成さ進めています。

れますが、この数値データを保存するため、10 ペ

このようなシミュレーション研究を支える大タバイト（１京バイト＝１兆バイトの１万倍）の大型計算機システムである「プラズマシミュレー容量の「外部記憶装置」と接続されています。そタ」を、本年６月に、従来システム比で８倍以上の他に、得られたシミュレーション結果に対し様々の 2.62PFLOPS( ペ タ フ ロ ッ プ ス ) の 演 算 性 能な物理解析するための「データ解析サーバ（3）」、可を有する富士通株式会社のスーパーコンピュー視化データへの変換を行う「可視化処理サーバ」等

タ ｢PRIMEHPC FX100」を中心とするシステムの周辺装置が整備されています（図２）。
このように、へと更新しました（図１）。ここで、計算機の演今回のプラズマシミュレータの更新により、核融算性能を示す単位であるペタフロップスとは、１合プラズマの複雑な挙動の物理メカニズムの解明、秒間に 1,000 兆回の浮動小数点演算 ( 浮動小数実験結果の解析や予測、核融合炉材料の物性シミュ

点形式の加減乗除の計算 ) を実行する能力のこと

レーション等を、これまで以上に大規模かつ短期を 意 味 し ま す。 こ の 数 値 は、 最 新 の「TOP500間に行うことが可能となりました。

Supercomputer Sites」（平成 27 年 6 月発表）にここで、（１）ノードとは１つのオペレーションシステムで管理されている演算ユニットと主記憶の集合を、（2）バイトとは計算機が扱うことのできる情報の大きさの単位を、（3）サーバとは自身の持っている計算処理の機能やデータを提供するコンピュータを示しています。
共同研究を通じて全国の多くの共同研究者にこれらのシステムを利用いただくための様々な研究者支援体制も整備されています。研究者で構成された計算機作業班は、利用者から寄せられた意見を基に、コンピュータシステムの特徴を生かした図 1．更新されたプラズマシミュレータの外観

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計算機運用計画の策定・改良を行い、計算機会社の支援員と協力しながら、運用に当たっています。

ンピュータが計算するための演算 ･ 動作 ･ 通信等

計算機システムを利用するにあたって必要となるの処理の手順を計算機言語を用いて示したもの。
）様々な情報を利用者に提供するため、５月と６月

近い将来、今回導入したペタスケールのスーパーの延べ６日間に亘って「計算機利用者講習会」をコンピュータの 1,000 倍の能力を持つエクサス開催しました。この講習会では、システムの概要、ケールのスーパーコンピュータの時代が来ることシステムの利用方法、並列計算機を利用するにあが予想されており、今後、益々、科学におけるシミュたって必要となる「並列化言語」の解説、さらには、レーション研究の重要性が増していきます。この本システムで利用できる可視化ソフトの実習を含新プラズマシミュレータが核融合科学研究所と共む講義が行われました。さらに、今回導入したコン同研究者の皆さんのシミュレーション研究の進展

ピュータの特性に熟知した計算機の専門家が常駐の一助になることを期待しています。

する「プログラム開発支援室」を設け、日常的に（数値実験炉研究プロジェクト 研究総主幹）（4）利用者が直面する問題の解決や計算機プログラムの開発支援に当たっています。
（（4）プログラム：コ

機種

FX100

運用期間

2015.6-2019.5

ノード数2,592

主記憶81TB(32GB/ ノード )演算性能

2.62PFCPU コア数

82,944

インターコネクト性能

ノードあたり 50GB/s × 2( 双方向 )外部記憶装置容量10 PB
表 1．システムの概要

図 2．システムの全体構成図

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特集

Fusion フェスタ in Tokyo
高 畑 一 也 ・ 高 橋 裕 己
研究所の活動、そして大きく進展している核融合研究について、広く一般の方々に知っていただくために、ゴールデンウィーク中の５月２日に、日本科学未来館（東京都江東区青海）において「Fusionフェスタ in Tokyo 2015 −核融合！未来を創るエネルギー−」を開催しました。平成 22 年度より毎年、東京で開催している本イベントも今回で６回目となりましたが、当日は晴天に恵まれて、家族連れを中心に過去最多の約 2,300 名の参加をいただきました。
本イベントは、核融合とその実現へ向けた研究の一端を紹介するとともに、楽しみながら科学や核融合を身近に感じていただけるよう、講演会と科学教室・展示から構成されています。講演会では、竹入康彦所長より、核融合の原理から大型ヘリカル装置（LHD）をはじめとした核融合研究の進展と今後の実現へ向けた見通しについての講演が行われました。また、柳長門教授より、核融合装置における超伝導コイルの開発の進展についての講演が行われたほか、伊藤篤史准教授からは、「はじめての核融合」と題した講演が行われました。
これらの講演の中で、インターネット回線を用いて研究所からの実況ライブ中継が行われました。
LHD の真空容器の中から本島厳准教授が装置の説明を行い、LHD の様子を臨場感高く紹介できました。また今回は、インターネットによるライブ配信を行い、来場できなかった皆様方にも講演会や科学教室の様子を視聴していただきました。講演会でも、インターネットからよせられた質問に講師が答えるなど、双方向的なやりとりが行われました。
また、特別講演として、長嶋賢博士 ( 公益財団法人
鉄道総合技術研究所 浮上式鉄道技術研究部 部長 )をお招きして、「リニアモーターカーと超電導技術」と題する講演をしていただきました。講演では、リニアモーターカーの原理や関連する超伝導技術の説明に加え、リニアモーターカーの開発の歴史的経緯、現在の日本や世界での運用状況、今後の展望まで含めて、丁寧に分かりやすくお話をしていただきました。会場からも、予定の講演時間をオーバーするほどの多数の質問がよせられました。
科学実験・工作教室では、核融合研究に関連した技術を身近に知ってもらうため、超伝導磁気浮上

6列車、真空実験、高速カメラ、音声の可視化、プラズマボール、分光、大気圧プラズマ、三次元映像、形状記憶合金などの実演を行いました。特に、LED万華鏡を作る工作教室は人気を集め、今回も抽選を行いましたが、多数の希望者がありました。また、スーパーサイエンスハイスクール（SSH）指定校である東海大学付属高輪台高校と東京都立科学技術高校の生徒による工作教室を交えた研究発表も大変好評でした。展示では、核融合研究を紹介する 10 分間のミニ講演とパネル展示を行いました。
来場者から核融合発電の早期実現を期待する声を多くいただき、多くの皆様に理解を深めていただ
けたと思います。
核融合研究の重要性と科学の楽しさをより広く知っていただくため、今後も東京でのイベントを開催していきます。次回は、平成 28 年の 7 月頃の開催を予定しています。
（Fusionフェスタ in Tokyo 実行委員長／装置工学・応用物理研究系 教授）（プラズマ加熱物理研究系 助教）

長嶋賢博士による講演会の様子

科学実験教室の様子（超伝導磁気浮上列車）

第 28 回国際トカマク物理活動（ITPA）
計測トピカルグループ会合
秋 山 毅 志現在、フランスにて、日本・EU・米国・ロシア・中国・韓国・インドの国際協力のもと、核融合燃焼プラズマの実現とその制御技術の確立、統合された核融合装置としての技術的成立性の確認等を目的とした国際熱核融合実験炉（ITER）の建設が進められています。核融合科学研究所（以下、核融合研）は、連携研究委員会 ITER・BA 連携部会のもと、核融合研及び大学の ITER・BA 計画に対する連携研究の活性化を目指して活動しています。
国際トカマク物理活動（ITPA）計測トピカルグルー
プは、ITER 装置での計測・制御に関する最重要課題及び今後実施すべき研究開発について議論・検討を行うグループであり、核融合研からは筆者を含め３名が国内委員として参加しています。その第 28 回会合が、平成 27 年５月 19 日から 22日にかけて、核融合研にて開催されました。
今回の会合には、国外より 21 名、国内から32 名の合計 53 名の参加者がありました。都合により来日できない海外研究者には、テレビ会議による参加を促し、時差があるにも関わらず、インドや EU からの多くの研究者がテレビ会議を通して発表、議論を行いました。また、今回は核融合科学研究所共同研究研究会「磁場閉じ込め及び慣性閉じ込め核融合実験における核燃焼実証のためのプラズマ診断」との合同開催とし、国内の磁場閉じ込め核融合プラズマ実験のみならず、レーザー核融合実験装置からも計測装置の開発状況に係る多くの報告があり、４日間で合計 67 件の発表・議論を行いました。
会議初日の冒頭に竹入康彦核融合科学研究所長よる挨拶が述べられた後、森崎友宏大型ヘリカル装置計画研究総主幹より、第 18 サイクルでのLHD 実験の成果と重水素実験に向けた計画の講演が行われました。次いで、榊原悟高温プラズマ物理研究系研究主幹により、LHD での計測装置の概要に係る報告がなされ、LHD の計測機器の豊富さと水準の高さを示しました。日本原子力研究開発機構（JAEA）那珂核融合研究所にて建設中の JT-60SA の計測機器については、ITPA 計測ト
ピカルグループの議長でもある JAEA の河野康則研究主幹より報告がなされ、装置建設とともに先進的な計測器の開発も順調に進捗していることが報告されました。ITER の建設状況と計測器の開発状況については、ITER 機構の George Vayakis博士より報告がなされました。この他、ITER 参
加国に割り当てられ、それぞれ開発・設計を進めている個別の計測機器について、その状況や明らかになった課題について報告が行われました。
ITPA では、一国あるいは単独のグループではなく、参加国間で協力して取り組もうと設定されている課題があり、アクションアイテムと呼ばれています。それらの進捗状況の報告や、新しい課題の設定、参加グループの割り当てなども行われました。
次回の会合は、11 月２日から６日にかけて、ITER 機構にて開催される予定です。
（高温プラズマ物理研究系 准教授）

ITPA会合の様子。
再左端のスクリーンには、テレビ会議の参加者が映っています。

参加者の集合写真

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会 議 報 告第８回磁場核融合閉じ込め装置の定常運転に関する
IAEA 技術会合（IAEA TM-SSO 2015）
報告
久 保
2015 年５月 26 日から 29 日まで、核融合科学研究所がホストとなって標記会合が開催されました。国際原子力機関 (IAEA) が主導して開催される
本技術会合は、1998 年に中国の合肥で第一回が開催され、その後ほぼ２- ３年に一度のペースで開催されています。前回 2013 年フランスで開催された本技術会合においてプラズマ加熱物理研究系・武藤敬研究主幹が誘致に成功し、奈良で開催される運びとなりました。近年、核融合プラズマの磁場閉
じ込めに関する知見が深化し、国際熱核融合実験炉（ITER）の建設が進む中で、次のステップとしての核融合炉の工学的実証にあたって、定常運転は最重要テーマであり、核融合炉システムの炉心・周辺プラ

（写真１）

伸

ズマ定常制御法や、壁・ダイバータへの熱流制御法の開発と確立、壁・プラズマ相互作用、耐熱・耐中性子照射の観点からの炉構成材料開発と実証が喫緊の課題となっています。
今回の参加者は、世界 16 カ国から合計 60 余名の規模でした（写真１）。
竹入康彦所長の開会挨拶を皮切りに、５つのカテゴリーに分けて、14 件の招待講演、13 件の口頭発表、20 件のポスター発表が行われました。定常運転を目指した世界の大型装 置 (JET, JT-60SA, EAST, WEST, KSTAR, LHD,
W7-X) からの定常実験の結果と課題や計画、また、定常に関連する研究開発の現状が次々に報告され、それぞれの報告に対して有意義な多くの議論が展開されました。その過程で、定常運転の抱える未解決の諸問題が浮き彫りにされた形となりました。会議の詳細は、http://tmsso2015.nifs.ac.jp でご覧いただけます。次回は、２年後に中国で開催されることになりました。
（プラズマ加熱物理研究系 教授）

火災事故のお詫び
第４回自然科学研究機構若手研究者賞を受賞
本研究所核融合システム研究系の長坂琢也准教授が、「地上の太陽−核融合−何に入れる？」によって、第４回自然科学研究機構若手研究者賞を受賞しました。
受賞者の集合写真
この賞は、自然科学研究機構が、新しい自然科学分野の創成に熱 （長坂准教授は前列左から２人目）心に取り組み、成果をあげた優秀な若手研究者を対象として授与しているものです。
本研究所では、バナジウムという金属（原子番号 23）を用いて、地上の太陽、つまり核融合プラズマの入れ物の材料となる新合金を開発しています。バナジウム合金は、高温での強度が高く、長寿命かつリサイクル可能な優れた材料ですが、核融合プラズマがあたると削られてその部分が弱くなったり、燃料となる水素の透過が大きいので、燃料の一部を無駄にしてしまう、という弱点があります。削られにくく、水素透過も小さいタングステンという別の金属（原子番号 74）でバナジウム合金の表面を被覆することができれば、その弱点を克服することができます。本研究では、金属の接着剤（ロウ）を用いるロウ付けと、溶融したタングステン微粒子の吹き付けにより、タングステンとバナジウム合金の接合に世界で初めて成功しました。
なお、授賞式と受賞記念講演が、平成 27 年６月 14 日に、日本科学未来館・未来館ホール（東京）にて行われ、一般の方々からも多数の参加がありました。

大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

核融合科学研究所 発行
複写される方へ

NIFS NEWSNo.2242015年6,7月号

８月４日、当研究所の敷地内におきまして、装置のメンテナンス工事中に火災が発生いたしました。近隣にお住まいの皆様並びに関係の皆様に対して、多大なるご心配とご迷惑をおかけしましたことを、あらためて深く申し上げます。
火災の発生に至った詳しい経
緯につきましてはまだ調査中でございますが、その結果も踏まえ、今後一層の安全確保に努める所存です。調査状況や今後の安全対策につきましては、研究所のホームページ (http://www.nifs.ac.jp/) などを通して、公表してまいります。
研究所では、今回のような火災事故を繰り返すことのないよう再発防止に努めてまいります。

〒509-5292 岐阜県土岐市下石町322-6
TEL : 0572-58-2222(代) FAX : 0572-58-2601
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E-mail : nifs-news@nifs.ac.jp※過去のニュースはホームページにてご覧いただけます。

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