J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 3-4

プロジェクトレビュー

総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート
Plasma Fusion Science Chart

1 ．前書き1. Preface
森芳 孝，横 山 雅 之 1 ），仲 田 資 季 1 ），佐 々 木 徹 2 ），後 藤 拓 也 1 ），金 子 俊 郎 3 ），永 岡 賢 一 1 ），悟 3 ），上 原 日 和 1 ），安 原
亮1）
門 信 一 郎 4 ），浅 井 朋 彦 5 ），雨 宮 高 久 5 ），笠 田 竜 太 6 ），伊 藤
MORI Yoshitaka, YOKOYAMA Masayuki 1 ）, NAKATA Motoki 1 ）, SASAKI Toru 2 ）, GOTO Takuya 1 ）,KANEKO Toshiro 3 ）, NAGAOKA Kenichi 1 ）, KADO Shinichiro 4 ）, ASAI Tomohiko 5 ）, AMAMIYA Takahisa 5 ）,KASADA Ryuta 6 ）, ITO Satoshi 3 ）, UEHARA Hiyori 1 ）and YASUHARA Ryo 1 ）光産業創成大学院大学， 1 ）核融合科学研究所， 2 ）長岡技術科学大学， 3 ）東北大学，
京都大学エネルギー理工学研究所， 5 ）日本大学， 6 ）東北大学金属材料研究所

4）（原稿受付日：2023年11月2日）

我々を取り巻くさまざまな物質や構造の起源は，138 億プラズマに関する研究には長い歴史がありますが，い年前の超高温超高密度のプラズマ状態であるとされていまだに未知未踏領域や多くの謎が残されています．例えます．プラズマ状態とは，物質を構成する電子やイオン

ば，核融合については核融合反応が持続するプラズマのが電離した状態を指します．

持続的制御，プラズマプロセスについては背後に潜む基礎原理の解明などです．

私たちが研究するプラズマ・核融合は，一つ一つの荷電粒子が織りなす素過程と，それらが織りなす集団現象

このサイエンスチャートは，対象を理工学系の専門家が絡み合うプラズマを対象として，そこに潜む様々な機に定め，学術が担う知の拡大と体系化に重点をおいたプ

能やエネルギーの創成と制御を探究する学問です．核融

ラズマ・核融合分野の説明資料として企画されました．

合エネルギーの実現など社会貢献をめざす使命感と自然分野のアイデンティティ，歴史と広がり，そして課題との摂理を追究しようとする好奇心を併せ持つ学問分野で謎への挑戦をまとめています．プラズマ・核融合に関わす．

る問題を，多彩な学問領域に展開し , プラズマや関連材料

プラズマ研究には 200 年にもわたる歴史があります．18

が織りなす複雑現象を理解・制御することを通じて，あ世紀に誕生した真空技術と電気技術の融合により，人工

まねく自然や社会の理解につなげようとするものです．

的にプラズマ放電状態を作ることができるようになりま

関連分野間の相互理解の増進と協働につながることを期した．人工放電は，電子の発見，分光学の誕生，照明，待しています．

溶接技術，レーザーの実現や高度化などを促しました．
そして，現在，プラズマの理解の深化とプラズマの機能

本稿は，プラズマ・核融合学会専門委員会「プラズマ・性と制御性を高める研究が進められています．プラズマ

核融合サイエンスチャートの作成」，及び核融合科学研究

プロセス，プラズマ推進，核融合エネルギーなどそれぞ所一般共同研究「2030 年代以降を見据えたプラズマ・核れの先端研究へと発展しています．

融合科学の学術課題検討会，プラズマ・核融合分野の将プラズマの機能性と制御性を高めるためには，技術を来構想に向けた学際交流」（通称 Fusion2030 研究会）の活鍛える必要がありました．プラズマ加熱装置，プラズマ動成果をまとめたものです．サイエンスチャートの作成診断装置，超伝導技術，核融合炉材料開発など，多様なついては，小木智子さんに清書いただきました．謝意を技術が花開き，さらに極みをめざした研究が行われてい

表します．

ます．
The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries, Hamamatsu, SHIZUOKA 431-1202,Japancorresponding author’s e-mail: ymori@gpi.ac.jp

3Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

プラズマ・核融合学会専門委員会「プラズマ・核融合サ

比村治彦

京都工芸繊維大学

イエンスチャートの作成」委員名簿

佐野孝好

大阪大学レーザー科学研究所

稲垣滋

京都大学エネルギー理工学研究所

光産業創成大学院大学

江角直道

筑波大学プラズマ研究センター

長岡技術科学大学

江尻

晶

東京大学

森

芳孝

佐々木

徹

浅井

朋彦

日本大学

安原

亮

核融合科学研究所

横山雅之

核融合科学研究所

上原日和

核融合科学研究所

笠田竜太

東北大学金属材料研究所

伊藤

悟

東北大学

仲田

資季

核融合科学研究所

江原

真司

東北大学

後藤

拓也

核融合科学研究所

長坂琢也

核融合科学研究所

永岡賢一

核融合科学研究所

田中照也

核融合科学研究所

金子

俊郎

東北大学

徳澤

季彦

核融合科学研究所

門

京都大学エネルギー理工学研究所

坂本隆一

核融合科学研究所

田中

信一郎
康規

金沢大学

山田

弘司

東京大学

野崎

智洋

東京工業大学4

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 5

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

2 ．プラズマ・核融合学のアイデンティティ
2. Identity
仲 田 資 季，佐 々 木 徹 1 ），後 藤 拓 也，金 子 俊 郎 2 ），永 岡 賢 一

NAKATA Motoki, SASAKI Toru 1 ）, GOTO Takuya, KANEKO Toshiro 2 ）and NAGAOKA Kenichi
核融合科学研究所， 1 ）長岡技術科学大学， 2 ）東北大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

プラズマ・核融合学は外の分野から見て，「面白そうだ

プラズマ工学）の上に，プラズマ・核融合学会の４領域（基けど複雑で難しい」，「興味はあるけど一緒に何ができる

礎・核融合・応用（反応性プラズマ）・ 核融合炉工学）のかがわからない」といった印象を持たれているかもしれ

つながりをパズルのピースで表し，それぞれの学問のつません．また，プラズマ・核融合学が非常に広範な理学・ながりを表現しようという意図です．また，中心に配置

工学の学問領域を包含していることから，分野内の研究されたスパイラルは，プラズマ・核融合学の４要素の融者でもプラズマ・核融合学の研究動機を端的にわかりや合が他の学問領域に波及することをイメージしています．

すく説明することが難しいという認識がプラズマ・核融

また，このインフォグラフィクスの中に含まれるプラズ合学会専門委員会で共有されました．

マ・核融合学のアイデンティティを表現するために，「プラズマ・核融合学とは？」の問いに答える形で，以下の科学と技術のイノベーションの源泉は，生物の進化とようなワンメッセージを提案しています．

同様に技術や学問体系の融合とその分化が重要であり，その発展はその新陳代謝で決まると言ってもよいでしょう．このため，プラズマ・核融合学の基盤，学問体系と「宇宙に普遍的に存在する，素過程と集団現象が融合ししての広がり，社会還元などについて整理することが重たプラズマを探究し，そこに潜む機能やエネルギーの創要であると考え，図 1 のようなインフォグラフィックス

成と制御を通して，多様な学問分野の深化と新たな融合案を作成しました．プラズマ・核融合学の主要な基盤で分野の開拓に挑戦する学問」

ある３つの学問体系（プラズマ物理学・プラズマ化学・

図1

プラズマ・核融合学のアイデンティティを表現するインフォグラフィックス．

National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japancorresponding author’s e-mail: nakata motoki@nifs.ac.jp

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J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 6-12

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．1

プラズマ科学3.1 Plasma Science門

信 一 郎，永 岡 賢 一 1 ）KADO Shinichiro and NAGAOKA Kenichi 1 ）京都大学エネルギー理工学研究所， 1 ）核融合科学研究所（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
naming of plasma, plasma physics, spectroscopy, space plasma, gaseous discharge, nuclear fusion

後に「プラズマ現象」と認知されることになる，オー

557.7 nm と求められたこのオーロラグリーンは，実験室

ロラや雷は，太古より人類の好奇心を掻き立ててきましでの再現が極めて困難で，地球にない元素説，クリプト

た．真空技術や高電圧技術の発明によって，地上の実験

ン説（1915）まで出ました．しかし後に量子論によって室における放電実験が盛んになり，分光器が開発される

酸素の禁制遷移であることにたどり着きました（マクレと，発光の類似性から，それらの関連性に目が向いたの

ナン（McLennan），1928）．
オーロラ粒子と地磁気との関連は，正電荷の太陽大気

は自然な流れだったのかもしれません．

説（ベクレル（1879）），太陽からくる陰極線説（ゴール

固体・液体・気体とは異なる，何か別の物質状態なの
本稿では，果たして人類が現在の「プラドシュタイン（1881）），ビルケランドが行った電子ビー

ズマ」の認識にどのように到達し，そこからどのようなムを球形磁石テレラ（Terrela）に当てるオーロラ模擬（テ

科学の分野に分岐し，お互いに関連しつつ発展してきた

レラ実験（1896））が有名です．この論争はやがて，電子 /のか，文中太字の用語や出来事を中心にチャート（図 1 ）イオンで空間電荷が中和される「プラズマ的」な解釈へに示しました．

と進んでいきます（チャップマン（1918））．

ではないか？

そのころ，大西洋横断無線通信に成功したマルコーニ

プラズマ前夜（1901）は電波が上空で曲がることを突き止め，1902 年ケ［オーロラと放電現象］

3．1．1

ネリー（米）とヘビサイド（英）は上空に電波を反射する

1752 年にフランクリンが，雷が電気によるものである

電離層が存在すると予言しました（1924 年アップルトン

ことを示したことは有名ですが，実は，後にオーロラも（英）により実証）．まさに太陽と地球電磁気圏がつなが電気（ただし大気中）であることを示唆しています（1779）．

ろうとしていたと言えます［1］．

その少し前には，ド・メランが太陽黒点との関連性を見［分光学から量子物理学へ］出し，太陽大気によるとの説を出しています．
やがて 1838 年にファラデーが気体放電によってオーロ

1814 年，フラウンホーファーは三角プリズムを望遠鏡

ラに似た光を発光させると，そちらの研究が盛んになりの対物レンズの前に配置し，精密な角度調整によって太ました．

陽光のスペクトルを観測し，574 本ものとびとびの黒い暗オーロラの発光が物質固有の色であろう，と言ったの

線（吸収線）を発見しました．さらにシリウス星に現れは，ブンゼンとキルヒホフが行った炎色反応の分光実験

る暗線と比較し，地球ではなく太陽由来のものであるこ（1860）を知ったオングストロームです．彼はオーロラのとも示しました．その暗線が地上の気体放電で観測され代表的な色である緑のスペクトルを観測し，この波長をる輝線と同じ波長に現れることがわかるにつれ，太陽に5567 という数字で表しました（1867）．オングストロー

存在する元素の同定，および，輝線 / 暗線の波長の規則性

ムという単位の起源です．後のより精密な観測によりに感心が高まりました．当時の物理学者たちは，調和振Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Uji, KYOTO 611-0011, Japancorresponding author’s e-mail: kado@iae.kyoto-u.ac.jp

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Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

3.1 Plasma Science	S. Kado and K. Nagaoka

動子の高調波からその規則性を導出しようと試行錯誤し管（1910）や蛍光灯（1938），最近では プラズマディスプ

ましたが，高等女学校の数学教師バルマーは，物理学をレイパネル（1992）などに応用されてきました［3］．

考えずにパズルとして，有名な「バルマーの公式」を見アインシュタインが 1917 年に光の共鳴吸収・誘導放出

出しました（1885）．その年に生まれたボーアは 28 才の時の原理を導くと，それから 40 年の時を経て，反転分布とにその公式を見るやいなや「すべてが明らかになった！」共振器を利用したメーザー（マイクロ波，1954）やレーザーとまたたくまに 3 篇の論文を発表し（1913），原子モデル（前（可視光，1960）として実を結びました．

期量子論）を構築しました．水素原子以外には適用でき

レーザー媒質として固体を使った「固体レーザー」はない，などの難点はあったものの，この基本的な考え方が，高パワー化に適し，慣性核融合やプラズマ計測にも利用

その後の量子物理学の礎となっています．

されています（3．7

レーザー材料）．

分光診断は，いまなおプラズマ中の元素分析や価数，［荷電粒子源としてのプラズマ］

励起源であるプラズマの密度や温度等を調べる有用な手法となっています．

デービーやファラデー以降，様々な放電方式が発明さ［地上のプラズマ］［2］．特に反応性ガスを用い，プラズマによって反応性をれ，幅広い分野の科学技術や産業に応用されてきました
ボ ル タ 電 池（1800） と 真 空 技 術 の 発 明 で， ペ ト ロ フ

高める分野を「プラズマ化学」と称しています．
「無声放電」（1802），デービー（1800-1807 頃）が独立にアーク放電にを利用したオゾナイザ（シーメンス ; 1857）はその走りとよるランプを発明しました（光がアーク状になることか言えます．

ら 1821 年に命名）．電磁誘導の法則を導き，発電機を発明

放電を開始する「火花電圧」を与える最適な条件が「ガ（1831）したファラデーは，本格的な気体放電（グロー放ス圧とギャップ長の積の関数で与えられ，最小値をもつ」

電） を確立（1835頃）します．さらに，真空技術の進歩とという実験則「パッシェンの法則」は，その後の放電物理・ともに， ガイスラー管（1850）が発明され，クルックス，

高電圧工学の礎となります．後に分光学でも名を残すパッヒットルフ， クルックスらにより陰極線（電子ビーム）

シェンの博士学位論文（1888 年当時 23 才，指導教授はベの研究が盛ん に行われました［2］．

ルリン物理学研究所のクント）における発見でした（1889
年に論文発表）．

クルックスは，ファラデーの講演録「物質は，固体・液体・気体・ラジアント（radiant matter，「放射する物

その頃以降，アーク放電による「熱プラズマ」を利用

質 / 物体」の意）からなる」を引用し，このラジアントのした溶接（ドメリスタン / ドベナール ; 1880）などの放電研究を精力的に行い，その過程でエックス線を発生する加工や金属の精錬［4］，さらに高周波誘導放電（ICP）を（... と後にわかる）クルックス管（1872）を発明し，内部利用した発光分析（1960 年代）等の放電技術が進展しまに置いた羽根車を回したり，周囲の写真乾板を露光させす．イオン衝撃によるスパッタリングを利用した成膜は，たりしています．まさに電子の発見（1897），エックス線「蛍光灯の寿命を決めていた悪者スパッタリング現象を逆の発見（1895）一歩手前まできていたと言えます．

手にとった返し技か！」と感心したものでした（筆者談）．

プラズマ状態は，このグロー放電や低圧アーク放電の

酸素プラズマによるフォトレジストのアッシング

内部に電極を挿入し，電流電圧特性を調べることで，そ（1966），ハロゲンガスによるシリコンウエアから SiF4 との物性が次々と明らかになってきました．1928 年 6 月 21

して削っていくドライエッチング（1971）などの半導体

日（プラズマ記念日）にこれを「プラズマ」と名付け論

ドライプロセスは，今日の情報化社会の原動力になった

文に記したラングミュアの功績です．その頃までにプラと言っても過言ではないでしょう［5］．これらの詳細はズマ振動（ラングミュア振動）
・デバイ遮蔽・シースなど，「3．2

荷電粒子の集合としてのプラズマ物理学における基本的プラズマ応用」の節に譲ります．

気体放電の技術は，容器内に生成したプラズマからビー
ム状のイオンを引き出す「イオン源」にも応用されました．

な概念が出来上がってきたと言えます．
高温のプラズマによる核融合エネルギーの開発が進む

磁場閉じ込めプラズマに外部からイオンビームを打ち込

につれ，弱電離を扱う放電物理と完全電離を扱うプラズ

んで衝突加熱ができれば高温化に有効なのですが，磁場

マ物理は乖離していきました．しかし近年，磁場閉じ込が邪魔をして中まで入りません．まるで地球を太陽風かめ装置において，ダイバータ・境界層プラズマと言われる，ら守る地磁気のようです．これを回避するには中性の原

容器壁近くの電離度が低いプラズマの役割が重要視され子ビームが必要です．ところが中性では加速ができませています．特に高温の炉心プラズマとの界面の現象には，ん．そこでイオンの状態で加速をし，入射前に中性化す

未解明の物理過程が数多く残っています．

る必要があります．この中性粒子ビーム生成には，正イオンだけでなく，ビームの高エネルギー化に不可欠な，

3．1．2

プラズマを使いこなす

水素の負イオン（H －）を作る技術も進んでいます．電子
親和力で電子を得ている負イオンを中性化するには，ガ［光源としてのプラズマ］
プラズマからの発光の利用は，前述のアークランプ（開スとの衝突を利用する方式が現在の主流ですが，変換効放型）に始まりますが，放電管が最初に光源として利用率がさらに高いレーザー光をビーム側面から照射し，H －されたのはムーアランプ（1894）です．その後，ネオンから電子を 1 つはぎ取る「光脱離反応」の利用が検討さ
7

Journal of Plasma and Fusion Research

れています．

Vol.100, No.1

January 2024

池地らは波動励起実験に適したダブルプラズマ装置を用

イオンビームの反作用をロケット推進に利用している

い，プラズマ中のソリトンを実験的に発見しました．

のが，「はやぶさ（2005）」で注目されたイオンエンジン・
電気推進機です（1906 年発案）．直流放電やマイクロ波［宇宙のプラズマ物理学］

放電で重たい希ガスであるキセノンをプラズマ化します．

宇宙空間（の既知の物質）はプラズマに満ちています．

推進力が小さくてよいかわりに長期間の推進（比推力）

太陽系の質量の 99.87% を占める太陽から放出される太陽が必要な宇宙空間に適しています．

風，希薄な星間ガスはもちろん，中性の星間ダストや分プラズマといえば真空のイメージが強いですが，1990-

子雲なども，プラズマや光と相互作用しています．

2000 年代にかけて急速に用途が拡大した，大気圧で生成

天文学では，星形成は重要な課題であり，「原始惑星系

されるプラズマや，供給ガスの流れを利用したジェット

円盤でどのように角運動量を捨てて，質量降着を効率よは，医療や農業の分野で近年ますます注目されています．

く行うか？」という問題が重要課題となりました．磁気回転不安定性（MRI）により効率よく角運動量を輸送す

3．1．3

プラズマ物理学の発展

ることやジェット形成の研究がプラズマ物理の成果とし［磁気流体力学］て進展しています．

1942 年にアルベン（Alfvén，和文表記はアルヴェーン，

宇宙の高エネルギー粒子の生成メカニズムも大きな課

アルフベンとも）は電磁気学におけるマックスウェル方

題でしたが，無衝突衝撃波（1948）による統計フェルミ

程式を流体力学に組み入れ，「磁気流体力学」の基盤を構加速（1949）をベースとした粒子加速メカニズムなどプ築しました．1970 年にノーベル物理学賞を受賞していま

ラズマ物理によりその素過程の研究が進展しています．

す．
［太陽のプラズマ物理学］

特に磁力線のプラズマへの凍結（frozen-in），β 値，アルベン波など，その後の宇宙プラズマや核融合プラズマ

太陽プラズマは，温度 6000 度の弱電離である光球の上など，完全電離状態を扱うプラズマ物理学において不可層に 1 万度の彩層さらに上層は完全電離した 100 万度のコ

欠な学術基盤となっています．

ロナが存在します．

［プラズマ中の波動現象・粒子とのエネルギー交換］

ナを分光診断した際，地上の実験で同定されていない

1869 年 の 日 食 時 に ヤ ン グ と ハ ー ク ネ ス が 太 陽 コ ロ
プラズマは，密度や温度の不均一性などを自由エネル

530.3 nm の緑の謎の輝線を発見しました．オーロラグ

ギーとして波動を励起し，線形的に成長した波動が非線リーンの時と同様，ヘリウムに続く新元素発見かと騒が形結合をし，乱流状態へと遷移していく特徴をもっていれたようです．しかし 1941 年グロトリアンとエドレンにます．

より鉄の 13 価の輝線，こちらも禁制遷移であることが示

他の物理学では見られない，プラズマ特有の現象としされ，1943 年（戦時中につき邦文）に宮本正太郎によって，て「ランダウ減衰（1946）」が有名です．プラズマ中の波

現代の分光解析同様の電離平衡計算と輝線強度比により，動の位相速度とプラズマ粒子の運動速度がほぼ等しいと100-200 万度もの高温であることが証明されました（1949き，共鳴的にお互いのエネルギーを交換し合います．粒

年に英文で公表）［6］．

子が波に乗って加速されるサーフィンのようです．このこの太陽コロナが「異常なまでに」高温であることは，

とき波は減衰していきます．逆に粒子が波を励起するこ「彩層・コロナ加熱問題」として長年の謎になっていて，ともあります（ランダウ励起 ... ではなく，逆ランダウ減

各層の界面における太陽の磁力線や波動現象とプラズマ

衰と言います）．同様の原理は，磁場中のプラズマでは粒粒子との相互作用（エネルギー交換）が関連していると子の旋回運動（サイクロトロン運動）に対しても生じます．

推測されています．

プラズマ中に旋回運動と同じ周波数の電磁波を外部から［磁気圏のプラズマ物理学］

入射することで，プラズマを共鳴的に波動加熱することができるわけです（電子レンジに似ていますが，電子レ

地球は磁場（双極子型という）をもつ惑星であり，太ンジの原理は，共鳴しない誘電加熱という摩擦熱の一種

陽からくるプラズマの風（磁力線もプラズマに凍結してです）．電子加熱のための高パワーのマイクロ波源「ジャ運ばれる）と重なって，磁気圏を形成しています．太陽イロトロン」にはサイクロトロン共鳴を利用したメーザー

風の圧力（動圧）に押され，変形された地球の磁場は，技術が活かされています．

太陽の反対側でつなぎかえ（磁気リコネクション（1956））

プラズマ中の波動の中にも，水の波のように形を変えを引き起こし，「プラズマシート」と言われる構造を形成ずに伝搬する「ソリトン」が存在します．イギリスの運

し，オーロラ粒子の起源となっています．この磁気リコ

河で 1834 年に造船技師のラッセルがふと気づいた逸話はネクションは，磁力線が向かい合って行き交おうとして有名ですが，その 60 年後，1895 年にコルトヴェーグとドいる場所において普遍的に起こりうる物理現象です．

フリースが数式化（K-dV 方程式）に成功します．1966 年

太陽からのプラズマ粒子の盾となっている「ヴァン・に鷲見・谷内によってこの K-dV 方程式がプラズマ中の静アレン帯（1957）」は，同時に，磁気ミラー効果により電電波（縦波）であるイオン音波に適用されました．1970 年，

子や陽子を蓄積する領域となっており，別名「放射線帯」
8

Project Review

3.1 Plasma Science	とも言われています．この領域は，太陽からの高エネル

S. Kado and K. Nagaoka（1932）．

ギー粒子（放射線）を遮蔽して，地球の生命を被ばくか

太陽から放出される熱の源は，化学反応では何桁も足りら守る役割を担っていますが，宇宙船や人工衛星が通過ず，星の収縮による重力エネルギー全体でもごく一部しする際に，電子機器を誤動作させる要因として，その領か説明できず，長い間謎でした．エディントンは 1920 年

域の生成・消滅要因に対する研究が重要視されています．

に水素 4 個分とヘリウム 1 個に質量差があることに着目

20 世紀後半から宇宙利用が盛んになり，磁気嵐によるし，熱核融合反応をその可能性として提案します．その後，通信遮断，地球規模の環電流による送電網の損傷，高エ

重水素（1931）や中性子（1932）が発見され，量子論のネルギー粒子による被ばくなど，地球近傍の環境変動が発達も相まって，1938 年にワイツゼッカーが，1939 年に大きな問題となりました．日本では世界に先駆けて，こより完全な形でベーテが星の核融合反応過程を証明するのような環境変動の予測研究が 1998 年から開始されまし

論文を独立に発表します［10］．1938 年は，奇しくも核分た．磁気リコネクションに起因する，太陽磁場のエネル裂（fission）という用語が生まれた年でもあります．さギー開放に伴って放出されるコロナガス大規模噴出現象

らに不幸なことに，この技術は 1952 年のビキニ島での水の後には，地球磁気圏を通して電離層に至るまでのプラ

素爆弾の実験に繋がってしまいました．このように，新ズマが大きく変動します．太陽表面近傍の高温プラズマ

しく誕生した「原子核物理学」という学問分野は，星とから，太陽風，磁気圏プラズマ，電離圏と部分電離プラ

地上の研究が互いに影響を受けつつ，真理の探究と社会ズマまでを接続する物理メカニズムの理解が進み，現在的責任とのせめぎ合いの中で培われてきたように感じて

では国際宇宙ステーション（ISS）の運用にも「宇宙天気います．

予報」が活用されています［7］．
［磁場閉じ込め核融合］［未知の天体現象へ］

1934 年ベネットは，電流と磁場による自己収縮現象をブラックホールと恒星の連星系では，プラズマがブラッ理論的に示しました．1939 年にトンクスによって「ピンクホールに吸い込まれる際に降着円盤（回転するプラズ

チ効果」と名付けられます．しかし当時はあまり注目さマの流れ）を形成し，エックス線で明るく輝きます．これることはありませんでした．ところが，エネルギー需

こでは，プラズマ乱流のカスケード（散逸）による加熱給の問題がペイリー（Paley，1951）やパトナム（Putnam，が大きな役割を担っていると考えられており，イベント

1953）によって指摘され，後者では核エネルギー（核分

ホライズンテレスコープ（EHT）による観測と，磁気流裂と核融合の両方！）が資源量として定量的に挙げられ，

体力学的シミューションの比較が注目されています［8］．

人々の知るところとなり［11］，この頃から制御下での核重力波検出で話題となった中性子星の合体（2017）は，

融合エネルギーの開発が本格スタートすると，ピンチ効

金やレアアースが元素合成されるときに，放射崩壊に伴果が日の目を見ることになります．

う電磁波（可視光・赤外線）を放出します．これを「キイ ギ リ ス で は 1946 年， 当 時 学 生 だ っ た カ ズ ン ズ

ロノバ」と言います．

（Cousins）とウェア（Ware）の課題としてピンチの実

銀河団の元素組成やダイナミクス，さらには観測でき

験が始まりました．それがトーンマン（Thonemann）のないダークマターの存在分布の推定にいたるまで，銀河目に止まります．優れた研究の傍らスパイ活動もしてい団ガス（プラズマ）や星間物質（プラズマ）の発するエッた理論物理学者フックスによる（旧）ソ連への情報漏洩

クス線を様々な手法で観測し，理論モデルと比較するこが発覚し，1951 年に機密研究と位置づけられるなか，ピとは，宇宙の大規模構造の解明にとって決定的な知見をンチプラズマの不安定性（ロープの結び目のように捩れ与えるとみなされています［9］．

るキンク不安定性や磁力線の筒に凸凹ができるソーセー

このような天体の未知の現象の解明には，重力波・ジ不安定性）が知られるようになり，様々な装置が提案

ニュートリノ・重元素の原子過程（プラズマ分光）を多されます．導体壁と軸方向磁場で不安定性を克服すべく，

角的に観測・解析し，比較検討していくことが有用とな

1957 年から運用されたトロイダルピンチゼータ（ZETA）

ります．

は，中性子の発生を確認したものの，それは熱核融合によるものではありませんでした［10］．振り返れば失敗続

3．1．4

プラズマと核融合史

きのような実験でしたが，プラズマの安定性や計測法に［星の核融合］

ついての大きな進歩に寄与しました．レーザートムソン
散乱法もその 1 つで，ZETA の電子温度は数 10～100 万度

質量がエネルギー（と等価）であることは，アインシュ程度であったことが明らかになります．

タインの特殊相対性理論（1905）からの一つの帰結です．
1911 年，ラザフォードは原子核を有する原子モデルを示

アメリカの計画は「シャーウッド計画」としてステラ

唆し，1919 年には α 線源を窒素ガス中に置き，「人為的」レータ（マッターホルン計画），Z ピンチ，磁気ミラーのな核変換による酸素と陽子を初めて確認しました．加速研究が秘密裏に行われていました（1951-1959）．それらされた粒子（プロトン）を標的（リチウム）に衝突させは，原子力平和利用会議（ジュネーブ会議）の第 1 回（1955てヘリウム 2 個を生成する初の「人工的」な核融合反応

年 7 月）から第 2 回（1958 年 9 月）にかけ，次第に機密

は，コッククロフトとウォルトンによって達成されますが解除され，公開されるにいたりました．核融合炉を成9

Journal of Plasma and Fusion Research

立させるためのプラズマの条件（温度・密度・閉じ込め

Vol.100, No.1

January 2024

［慣性核融合］

時間）を求めたローソン条件（1955）もまた，1957 年にレーザー発振が初めて成功を収めた，1960 年頃という公表されています．

のは，磁場閉じ込め核融合にとって「煉獄の苦しみ（1961）；

時は同じく 1950 年頃，ソ連ではピンチ不安定性の安定

アルチモビッチ」の発言で知られる，困難を極めた時期

化のためにドーナツ型の軸方向磁場を強くしたトカマク

でした．1963 年にはバソフとプロホロフによりレーザー型がサハロフとタムにより提案されます．1968 年に T-3 ト

核融合の原理が提案されていますが，水爆研究の知見をカマクで高温プラズマの生成が報告されると，翌年，イ使っていたため機密研究が続けられ，1972 年にようやくギリスの計測チーム（カラム研究所の 5 人衆：Culham

原理が公表されます．

Five）が，最先端のレーザートムソン散乱法を引っさげ慣性核融合では，氷状態の初期燃料から点火燃焼を伴て現地に向かい，1000 万度の達成を証明しました．これ

う高密度高温状態を形成するための駆動源（ドライバー）を契機に世界中でトカマク方式の一大旋風が起こります

として，パルスパワー（ピンチを含む），イオンビーム，レー［12］．アメリカでは 1969 年に Model-C ステラレータからザーを用いる各方式が提案されています．

ST トカマク装置に改造される事態に至ります．

2022 年にアメリカの国立点火施設 NIF で，ブレークイー

我が国では，天体物理学の研究者たちが核融合にいち早

ブンと呼ばれる，投入レーザーエネルギーを超える核融く着目し，京都大学基礎物理研究所の理論研究会で 1956

合出力が達成され，エネルギー源としての開発が活性化し

年 4 月に討論されています．続き加速器や放電物理の研つつあります（磁場核融合とは原理や加熱の仕組みが異究者たちが有志で定期研究会を開催するようになり，先なり，それぞれブレークイーブンの定義がなされるため，進国に比べ小規模な大学規模の実験を始めることになり

単純比較はできません）．

ます． 1956 年に大阪大学で国内初の直線ピンチ実験が行

一方，極めて高いパワー密度をもつレーザーや大電流

われ，1957 年に電気試験所で環状型とシラー型，日本大パルスパワー放電の特性を活かし，衝撃波，さらには爆風学で誘導ピンチ（シータピンチ），名古屋大学でトロイダ波とも言われる宇宙プラズマの超高速流，それに伴う渦ルピンチ方式の名大トーラス（1958 年実験開始）のプロ構造を生成するなど，天体現象や極限的な物質状態を実ジェクトが始まります［13］．京都大学では 1958 年にヘリ験室に再現し，開拓する試みが精力的に行われています

コン計画と命名されるプロジェクトが立ち上がり，1959（3．4

慣性核融合・高エネルギー密度科学）．

年よりヘリオトロン A による実験がスタートし，現在のLHD やヘリオトロン J へとつながっています［14］．

［プラズマ不安定性との格闘］

より規模の大きい研究のための体制づくりが喫緊の課

プラズマを閉じ込めるには，プラズマ自身がもつ圧力題であるとも認識され，1958 年 2 月に湯川秀樹を会長と（密度×温度）を，磁気圧（磁場の大きさの 2 乗に比例）する核融合懇談会（その後 1983 年にプラズマ・核融合学で保持するため，炉工学の見地からは強磁場を生成する会に発展）が任意団体として発足しました．1956 年総理電磁石（3．6

府に置かれた原子力委員会は核融合懇談会の意向をうけ，い磁場で高い圧力を実現する閉じ込め研究が目的とされ1958 年 4 月 11 日に核融合専門部会を発足します．萌芽的てきました．

超伝導材料），プラズマの立場からは，低な研究をめざす A 計画，および諸外国並の中型装置建設

磁場核融合では，圧力と磁気圧のせめぎ合いによる不をめざす B 計画が議論され，いわゆる A-B 計画論争とな安定性や，ドリフト波不安定性等に起因する微視的な乱ります（文献［15］の 2 章に詳しい）．やがて，（旧）科学

流が，粒子衝突から予測される拡散より 100 倍以上速く散技術庁管轄で日本原子力研究所核融合研究部門（後に量逸してしまう「異常輸送」が研究者を苦しめてきました．

研機構へ）と，（旧）文部省管轄で名古屋大学にプラズマ

さらに，プラズマ内に電流を流す，ピンチ方式やトカ研究所（後に核融合科学研究所へ）が設立されるなど，

マク方式では，電流に起因する様々な不安定性が伴いま

大規模研究に立ち向かうべく開発研究・学術研究の体制

す．

が整っていきます［16］．

今日では，様々な「閉じ込め改善モード」が発見され，1980 年代には「 3 大トカマクの時代」に象徴される核核融合に必要な炉心プラズマ条件が達成されるに至って融合 3 重積（密度×閉じ込め時間×温度）の飛躍的な記います．

録更新が続き，1991 年には重水素（D）と三重水素（T）

慣性核融合でも，レーザー照射でプラズマ化（アブレーを用いた DT 実験による核融合反応がイギリスの JET 装置

ション）され，加熱膨張する層と慣性力で取り残されたで実証されました．1996 年には，日本の JT-60U 装置で，層の間で圧力のせめぎ合いが生じ，高温プラズマが外部

DD 実験ではありましたが，仮に DT 燃料を用いた場合に，に押し出されてしまう，「交換型不安定性」が大きな障

加熱パワーを超える核融合出力が得られる臨界プラズマ

害であると 1970 年代前半には認識されていました（1974

条件（ブレークイーブン）を達成しています．その後は

年 IAEA 会議で報告［17］）．これは流体物理学において定米ソの冷戦終結の象徴ともいえる「レーガン・ゴルバチョ

式化したレイリー（1883），原爆実験で確認したテイラー

フ会談（1985）」で，国際協力による核融合開発が提唱され，（1950）の名より，「レイリー・テイラー不安定性」とし

ITER 計画へと繋がっています（3．3て知られています．

核融合プラズマ）．

10

Project Review

3.1 Plasma Science	［炉材料］

S. Kado and K. Nagaoka

ともに，その定義や概念は拡大しています．他の 3 つの1960 年代に，磁場閉じ込めの主流が単パルスのピンチ

物質状態同様，極限環境においては，状態間の区別がつ方式から金属リミターを有するトカマク方式に移行してかなくなっていく，とも言えるでしょう．現代の理論物理，

いくと，すぐに，プラズマ・壁相互作用の問題点が重要

実験・観察，シミュレーション，データ科学などを駆使視されるようになりました（3．5することで，この先どのようなプラズマの世界が見えて

構造材料・プラズマ対向材料）．Mo や Nb などの当時のプラズマ対向壁（第一壁

くるのか，私たちもとても楽しみにしています．

という）の中性子，水素イオン，α 粒子（ヘリウム原子核）のスパッタリング率が調べられ，幾度となく，核融合炉

参考文献

不成立の瀬戸際に立たされることになります［18］．特に［ 1 ］小口 高：オーロラの物理学入門，名古屋大学太陽地球環境研究所編集 , 名古屋大学リポジトリ．［https://doi.
org/10.18999/28598］［ 2 ］板 谷 良 平：20世 紀 に お け る プ ラ ズ マ 物 理 の 歴 史 と将 来 展 望， 応 用 物 理 69, 971 (2000).［https://doi.
org/10.11470/oubutsu1932.69.971］［ 3 ］プラズマ・核融合学会：プラズマエネルギーのすべて（日本実業出版社，2007）．
［ 4 ］岡田 実・荒田吉明：プラズマ工学（日刊工業新聞社，
1965）．
［ 5 ］明石和夫：プラズマプロセシングの発展史概要 - 萌芽期・成長初期に重点を置いて -，表面技術 61, 120 (2010).
［https://doi.org/10.4139/sfj.61.120］［ 6 ］京都大学大学院理学研究科附属天文台：花山天文台80
年のあゆみ 1 章， 6 章参照，京都大学リポジトリ「紅」．
［http://hdl.handle.net/2433/240967］［ 7 ］亘 慎一 他：小特集 宇宙天気予報，プラズマ・核融合
学会誌 82, 737 (2006).
［ 8 ］国立天文台水沢 VLBI 観測所：ホームページ［https://www.miz.nao.ac.jp/eht-j/］.
［ 9 ］大橋隆哉：高温プラズマの X 線観測で宇宙の大規模構造の形成を探る，プラズマ・核融合学会誌 90, 183 (2014).
［10］寿岳潤 他（ ２ 章宇宙論の基礎），西田 稔（ 3 章核融合）：熱核反応・天体物理（共立出版，1961）．
［国会図
書館 https://dl.ndl.go.jp/pid/2465737/1/3］［11］P.C. パトナム（吉崎英男 訳）：エネルギー問題の将来，第 8 章 原子燃料の役割（商工会館出版部，1955）．［国会図書館 https://dl.ndl.go.jp/pid/2472914/1/117］［12］飯吉厚夫 他：核融合研究50年の進展を振り返って，プ
ラズマ・核融合学会誌 85, 487 (2009).
［13］山本賢三：核融合に関する技術討議会， ３ 章 国内の状 況， 電 氣 學 會 雜 誌 80, 1304 (1960).［https://doi.
org/10.11526/ieejjournal1888.80.1304］［14］宇尾光治 ：核融合とヘリオトロン，創造の世界（19）（小学館，1975）．［国会図書館 https://dl.ndl.go.jp/pid/
1737895/1/4］；「ヘリオトロン磁場による高温プラズマの閉じ込め」科学朝日20（2）（朝日新聞社，1960）．
［同https://dl.ndl.go.jp/pid/2335214/1/8］．
［15］雨宮高久：核融合研究黎明期の歴史―日本人研究者の動向を中心として―」博士学位論文（2016，日本大学）日
本大学リポジトリ．［https://repository.nihon-u.ac.jp/
xmlui/handle/11263/1130］［16］山本賢三：核融合の40年（ERC 出版，1998）．
［17］吉川允二他：第5回 IAEA プラズマ物理学および制御
核融合会議の概要，日本原子力学会誌 17, 101 (1975).
［https://doi.org/10.3327/jaesj.17.101］.
［18］宮原 昭・壁谷善三郎：核融合装置におけるプラズマ壁相
互作用の諸問題，表面科学 21, 2 (1981).［https://doi.
org/10.1380/jsssj.2.2］

1974 年にスパッタリングによる不純物混入による放射損
失や不安定性が提起されると，極めて悲観的な空気が流れることになりました（その頃の情報をもとにしたと思
われる，核融合不成立の根拠とする意見もいまだしばしば耳にします（筆者談））．
その後，1980 年代に入ると，不純物対策としてダイバー
タ配位，炉心プラズマ性能として H モード，熱流低減として，ダイバータデタッチメントが成功を収めていくことになります．

3．1．5

新しいプラズマの概念へ

気体からプラズマを生成する場合，「温度を上げていくと…」という説明がよくなされますが，圧力は密度と温度の積なので，プラズマの圧力を維持するために，実験室のプラズマは気体に比べると希薄な密度になっていま
す．プラズマはイオンと電子が同じ数存在する“準中性”
で，イオンの出す電気力線は隣のイオンに到達する前に電子に遮蔽されてしまいます．これをデバイ遮蔽といいます（1923 年に強電解質溶液において見出された物理過程）．そのおかげで，熱運動速度（温度）を上げてもクー
ロン反発力を受けることなく，イオン単独の集合に比べてはるかに高密度化しやすいのです．「プラズマ状態のおかげで磁場閉じ込め核融合の条件が達成可能なのだ！」とも言えます．
ところが，例えば恒星や巨大惑星（木星や土星）の内部，白色矮星などのように，クーロン力による位置エネルギー
が，熱運動のエネルギーと同程度かそれ以上になると，「準中性のままクーロン相互作用をするプラズマ」になります．こうなると，金属や流体のように粒子間の結合の強い特徴を示すようになります．これを「強結合プラズマ」といいます．この特殊な状況は，イオンの価数の 2 乗に比例して起こりやすくなるため，プラズマ中の帯電したダストなどもその条件を満たすことが指摘されています．
電気的に中性ではなく，単一電荷の集団でも，磁場や電場，流れ場などの効果で閉じ込めることが可能です．
高密度化が難しい反面，プラスとマイナスの再結合によって気体に戻る過程がないため，長時間存在することができます．純電子プラズマ，ペニングイオントラップ（1953）などもこの「非中性プラズマ」の一種です．
プラズマは「物質第 4 の状態」ですが，学問の発展と

11

Vol.100, No.1

January 2024

図1．

プラズマ科学サイエンスチャート . 西暦の最初の数字が概ね項目の年にあうように配置した

Journal of Plasma and Fusion Research

12

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 13-19

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．2

プラズマ応用3.2 Plasma Application
金子俊郎

KANEKO Toshiro
東北大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, plasma application

史上初のプラズマ応用技術は，1857 年に Siemens が発によって紫外線が発生することも発見しています．1859

表したオゾナイザが最初であるとされています．Faraday

年に Becquerel によって行われたガイスラー管の蛍光体が発生させた電離気体は減圧気体の放電によるものでし発光が，放電を用いて蛍光体を発光させた初めての例とたが，Siemens が発生させたものは大気圧放電によるも言われています．ガイスラー管が直流高電圧で放電する

ので，誘電体バリア放電と呼ばれている放電方式です．

のに対し，Tesla は，1893 年に高周波電源を用いてガラス

プラズマの産業応用は，この史上初のオゾナイザをはじ

管内のガスを発光させています．1894 年には，Moore がめとして，数多くの例があります．

窒素と二酸化炭素を封入したピンク色に発光する放電灯

応用物理学会では 2010 年にアカデミックロードマップを発明しており，1900 年には，Hewitt が低圧水銀灯を発

を発刊し
［1］
，プラズマエレクトロニクス分科会（PE 分

明しています．実用化されることになった蛍光灯は，ド科会）のロードマップも記載されています．本節では，

イツの Germer 等によって 1926 年に発明されたものであPE 分科会のアカデミックロードマップに記載の発展史をり，この蛍光灯の基本構成は，蛍光体が現在の蛍光灯の参考として，その後今日までの発展を追加し，それぞれように放電管の内壁に塗布されています．ネオンサインの応用分野の歴史的な流れを樹形図としてプラズマ応用の点灯は，1910 年に Claude によってフランスにて行われ，サイエンスチャートに示しました（図 1 ）．

その後の光源応用は，Reiling のメタルハライドランプ，

以下では，プラズマ応用サイエンスチャートに記載さSchmidt の高圧ナトリウムランプ，等を経て，高輝度放れている，「光源プラズマ」，「成膜プロセスプラズマ」，「微

電ランプ（HID ランプ）の実用化へとつながっています．

細加工プロセスプラズマ」，「プラズマ環境応用」，「プラまた，低圧水銀灯をベースにした蛍光灯は，青野正明，

ズマ医療応用」，「プラズマ農業応用」等の歴史について

神野雅文等による低環境負荷をめざした無水銀蛍光ラン

述べるとともに，これらのプラズマ応用を推進する上でプへとつながっています［2］．

重要である「プラズマ診断」，「プラズマモデル化・シミュ

同様の放電光源の中でも，コヒーレントな発光をするもレーション技術」を取り上げ，その歴史について述べまのとして，気体放電レーザーが挙げられます．最初のレー

す．また，近年の環境，医療，農業応用に関連して研究・

ザーは，1954 年に Townes 等によって発表されたマイクロ開発が進んでいる「気液界面プラズマ」の歴史について

波のレーザー（＝メーザー）です．光の波長域での初めも紹介します．

ての発振は，Maiman によるルビーレーザーであり，これはルビー結晶を用いた非気体の固体放電レーザーです．

3．2．1

最初の気体放電レーザーは，1960 年に Javan 等によって光源プラズマの歴史

放電を用いた光源応用の歴史は非常に古く，1808 年に発表された赤色の He-Ne レーザーです．その後，半導体

Davy が Volta の電池を 2000 個接続した炭素アーク灯を実

レーザーの発振が相次いで報告されますが，1964 年には，現しています．また，Davy は，水銀蒸気による放電現象

He-Ne レーザーに次ぐ気体放電レーザーである青色のGraduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8579, Japanauthor’s e-mail: kaneko@tohoku.ac.jp

13Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

Ar イオンレーザーの発振が Gordon 等によって報告されVol.100, No.1

January 2024

ボロン添加の両方を試み，p 型，n 型に価電子制御するこました．同じ年に，強力なパワーを誇る赤外域の CO2 レーとを可能にしました．その直後には，Spear 等による pn

ザーが Patel によって発明されました．1970 年には，紫外接合の形成と Carlson 等による太陽電池の形成も報告され域のエキシマレーザーが登場しています．これらのレーています．

ザーでの短パルス放電技術と光源の概念が合流し，木下2000 年代には，畠山力三らによって，メタンやアセチ

博雄らが提案した超微細加工のための極紫外（EUV）光

レン等を原料ガスとしたプラズマ CVD を用いることで，源やバリア放電ランプが研究開発されました［3］．

カーボンナノチューブを基板に垂直配向合成させる手法

放電を用いた光源の中で，広く用いられたのがプラやカーボンナノチューブ内に異種原子・分子を導入する

ズマディスプレイパネル（PDP）です．最初の PDP は，技術が開発されました［7］．また，平松美根男らによって，1964 年に米国イリノイ大学の Bitzer と Slottow によって数層から数十層の多層グラフェンが基板にほぼ垂直に成発表されました．その後，米国のベル研究所，IBM，日長するカーボンナノウォールを種々のプラズマ CVD を用

本の NHK，三菱電機，富士通が高解像度化やカラー化のいて合成する手法が報告されています［8］．

開発により，超大型のカラー PDP が実用化されました．

近年では，原子を一層ずつ堆積させる原子層堆積法

プラズマディスプレイ技術とともに，大気圧を含む高（ALD：Atomic layer deposition）が盛んに研究されてい気圧領域で生成される µm ～ mm スケールのマイクロプラ

ます．ALD は複数の気相原料（前駆体）を交互に基板表ズマの研究が急速に発展しました［4］．この期間に，小型面に堆積させることで膜を生成する方法です．CVD とはプラズマ放電装置が開発され，微小なスケールでプラズ異なり，異なる種類の前駆体が同時に反応領域に入るこマを生成し制御する能力が向上しました．マイクロプラとはなく，それぞれ独立のステップとして導入・排出さズマは，分析化学，質量分析，プラズマ診断，バイオメディ

れます．そのため，各ステップにおいて，前駆体分子はカル応用などのさまざまな分野で利用されています．

基板表⾯で吸着可能なサイトが表面になくなった時点でこれらのサイズが小さく形状が制御された「マイクロ反応が終了するため，ステップ数をコントロールするこプラズマ」をアレイ状の集合体として，電磁波の分散関とで任意の構造・サイズの基板に対して高精度かつ均一係を考慮して設計・配置することで，メタマテリアルとに成膜することができるのが特長です．

して機能させることができます．ここで，プラズマは，

ALD の 歴 史 は 古 く，1960 年 代 に レ ニ ン グ ラ ー ド 工

外部生成電力の調整で時間的に存在およびパラメータが科 大 学（ 現 在 の サ ン ク ト ぺ テ ル ブ ル ク 工 科 大 学 ） の可変であり，特に比誘電率が負の媒質として働く点が特

Aleskovskii と Koltsov に よ っ て 分 子 堆 積（ML：

徴的です．具体例として，酒井道らは，マイクロ波帯かMolecular Layering）として，1970 年代にフィンランド

らテラヘルツ帯において生成できる，動的なフォトニッの Instrumentarium 社において原子層エピタキシとして，

クバンドギャップ材料および負の屈折率媒質を実現してそれぞれ別々に開発されました．Instrumentarium 社のいます［5］．

技術は，1980 年に国際会議において初めて発表され，その後，1990 年代にフィンランドの Microchemistry 社が半

3．2．2

導体向けアプリケーションに適した ALD 装置の開発を進

成膜プロセスプラズマの歴史

現在の産業を支える重要な技術のひとつとして，成膜

め，2000 年代にはフィンランドに蓄積された ALD のノウに関するプラズマ応用があります．プラズマを用いた成ハウから幾つかのメーカーが誕生し，その後，ALD 装置

膜の歴史は古く，1852 年にスパッタリング現象を発見しメーカーの数は急激に増加し，半導体向け成膜は ALD 技

た Grove であり，Grove はスパッタリングによる飛散物が術の産業アプリケーションのブレイクスルーとなりまし

放電管内部に付着していること発見し，その後の 1877 年

た．

に，Wright によってこのスパッタリング現象が薄膜の作

一方で，太陽電池等の高性能化をめざすうえで，プラ製に応用されました．プラズマ支援の物理気相堆積法でズマによるシリコン薄膜等の形成時に発生する不純物のあるスパッタリングに対して，プラズマ支援の化学気相問題が顕在化してきました．シラン系プラズマでは，プ

堆 積 法（CVD：Chemical Vapor Deposition） は，1953

ラズマ中の微粒子の発生が太陽電池の変換効率等の薄膜

年に Schmellenmeier によって実施されています．ガスとの性能低下を招くという問題があり，渡辺征夫，白谷正

してはアセチレンが利用され，成膜されたものは黒色の治によって Mie 散乱を用いた詳細な調査が行われ，パル薄膜であり，ダイヤモンドライクカーボンの先駆けとも

ス変調や水素希釈がその微粒子の成長を抑制する手段で言えます．

あることが明らかにされました［9］．

太陽電池や薄膜トランジスタにつながる水素化アモル

これらの微粒子を積極的に合成する研究も進められてファスシリコン薄膜の最初の成膜は，1969 年に Chittick

います．光触媒，次世代電池あるいは革新電池等々に使によって報告されています．Chittick は，シラン（SiH4）用される微粒子として，直径 100 nm 以下の機能性ナノ粒プラズマを用いた CVD による成膜を行うことによって，子を大量に生成する技術が，制御型高気圧熱プラズマを光導電性が硫化カドミウム（CdS）よりも高く，導電率の用いて開発され［10］，その複雑なプロセスの数値モデリ

温度依存性が半導体的な薄膜を得ました［6］．これに対し，

ングによる予測も行われています［11］．

1975 年の Spear と Comber は，シランに対してリン添加とこうした微粒子を含むプラズマに関しては，新たな研14

Project Review

3.2 Plasma Application	

T. Kaneko

究分野として発展し，その中でも，プラズマ中に浮遊すり，これが世界初の ALE の発明であると言われています．

る微粒子が結晶構造のように配列するクーロン結晶は，

Yoder は，ラジカルとして窒素酸化物をダイヤモンドの表

1986 年に Ikezi によって理論的に予測され，日本の林康明

面に吸着させ，そこに希ガスと水素の混合プラズマからと橘邦英［12］，台湾の Chu 等［13］，ドイツの Thomas 等

発生するイオンをパルスとして照射し，ラジカル吸着→［14］によって 1994 年に実験的にそれぞれ独立に実証されパージ（排気）→イオン照射→パージ（排気）を 1 サイクました．

ルとして，ダイヤモンドの原子を一層ずつエッチングする手法を発見しました．日本では，1990 年に堀池靖浩らが

3．2．3

微細加工プロセスプラズマの歴史「デジタルエッチング」と称して，原子を一層ずつエッチ集積回路の製造工程において必要不可欠なのが微細加ングする手法を発表し［20］，日本では 1990 年代中旬にデ工プロセスであり，プラズマでしかできないことのひと

ジタルエッチング，ALE に関連する論文が増えています．

つです．従来の化学反応にプラズマ中の荷電粒子の物理

その後，2013 年に Lam Research の Gottcho が American

作用を重畳させることによって，超微細な異方性エッチ

Vacuum Society（AVS）で学会発表を行い，Kanarik がングや選択エッチングを実現し，ナノレベルのトップダ論文発表［21］したことがトリガーとなって，2014 年以降

ウン加工が可能となりました．

の現在に至る爆発的な ALE の研究発展が起きたことが論
文数などから明らかになっています．

ガスプラズマを用いた世界初のエッチングは，1966 年に Irving によって提案されていますが，これは酸素ガス

3．2．4

プラズマを用いたアッシングでした．これに対して，1973

プラズマの環境応用の歴史

年に阿部東彦によって提案されたガスプラズマエッチン

プラズマの環境応用の一つは，Siemens の大気圧誘電

グは，その後の微細加工の原点となる半導体プロセスエッ

体バリア放電を用いたガス処理です．Siemens の時代にチングの先駆けといえます［15］．

は，オゾンの発生器としての位置づけでありましたが，シリコン基板上の集積回路形成に必要となる Si 上のその他にも，人体に有害な窒素酸化物（NOx）や硫黄酸

SiO2 の選択エッチングは，1975 年に Heinecke によって初化物（SOx）も除害可能であり，それぞれ，玉置喜平次

めて実現されました［16］．プラズマを用いたエッチング

ら［22］と水野彰ら［23］によって報告されています．

では，ラジカルとイオンが寄与しますが，その役割を明

また，大気圧の放電が可能であることから，液体の浄らかにしたのが，Coburn と Winters です．ラジカルによ化などへの適用も試みられるようになりました．液体にる等方的な化学エッチングが異方性のイオン衝撃によっ

直流的な通電をするとアーク放電に移行するため，多くて支援されるというメカニズムで説明できることを実験の場合には，高圧パルス電圧の印加によって放電を得て的に示しました［17］．

います．水中での高電圧パルス放電については，1987 年

その後，低圧状況でのプラズマ生成の必要性から，低に Clements，佐藤正之，Davis が，その目視観察結果と圧で放電開始が可能で，高密度プラズマが得られる各種

発光スペクトル，並びに酸素ガス注入によるオゾン生成の方式が提案されることになり，マイクロ波，マグネトに関して初めて報告しました［24］．

ロン，電子サイクロトロン共鳴，ヘリコン波，表面波，2010 年代中頃からは，地球温暖化防止のための温室効

磁気中性線放電，誘導結合型プラズマ等の研究開発が活

果ガスの削減や窒素肥料としての硝酸や，新エネルギー

発化しました．

としても注目されているアンモニアを空気中の窒素からエッチングプロセスでは，プラズマに曝されるデバイ

合成する窒素固定等に関連して，プラズマを活用するこスに対するダメージも解決すべき重要な課題となっていとで，化学反応を促進し，触媒活性を向上させる「プラます．イオン衝撃等の物理的なダメージは，当初より考ズマ触媒」の研究が世界中で行われています［25］．

慮されていましたが，デバイスの微細化によって，そのプラズマ触媒の一つの重要な応用分野として「ガス改問題が顕在化しました．こうしたプラズマエッチングに質」があり，野崎智洋らによって研究が進められていまおけるダメージを引き起こす原因として，Sawin らによっす［26］．ガス改質は，さまざまな原料ガス（メタン，二て電荷蓄積効果が初めて議論されました［18］．その解決

酸化炭素，等）から水素や合成ガス（水素と一酸化炭素法のひとつとして，寒川誠二らによって時間変調プラズの混合物）を生成するプロセスであり，エネルギー変換，マが提案されました［19］．現在も，微細化に伴って考慮

水素製造，化学プロセスなどの分野で重要です．プラズ

しなければならないダメージの種類は増えており，そのマ触媒は，ガス改質プロセスの効率を向上させ，高い反解決法が精力的に検討されています．

応速度と選択的な反応を実現するために使用されています．

現在，半導体チップの演算性能向上と消費電力削減のため，2 nm プロセスの半導体製造技術が求められてい

3．2．5

る中で，プラズマエッチング業界では，原子を一層ずつエッチングする原子層エッチング（ALE：Atomic Layer

プラズマの医療応用の歴史

低温プラズマの医療応用として，殺菌・滅菌に応用しEtching）の研究開発が盛んに進められています．ALEようとした例として，1964 年の Menashi による大気圧コの歴史は古く，1987 年に米海軍の Yorder が，ダイヤモン

ロナ放電によるものがあります．その後，1987 年に過酸ドの“Atomic Layer Etching”の米国特許を出願してお化水素ガスの RF 放電プラズマを用いた手法が Jacobs と15

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

Lin によって発明され，研究開発が進められました［27］．

くの論文が発表され［36］，さらに，安藤杉尋，高橋英樹

これは，医療機関における院内感染等を抑止するために，らのグループによって，プラズマで合成した反応性の高熱に弱くオートクレーブなどを利用できない医療部材をい五酸化二窒素等の活性窒素種により植物の病害抵抗性

プラズマによって滅菌する装置です．

（植物免疫）が強化されることが報告され［37］，化学農薬

一方で，北野勝久らは，低周波大気圧マイクロプラズの使用を減少させる可能性が示されています．

マジェットを用いて，プラズマを照射した水（プラズマ

また，低温プラズマを用いた種子処理技術が開発され，処理水）による殺菌の研究を突き詰め，極めて高い殺菌

古閑一憲，白谷正治らによって種子の発芽率向上や植物力が酸性条件のみで得られることを発見して「低 pH 法」の成長促進が報告され，収穫量の増加や栽培期間の短縮と命名し，この殺菌因子が過硝酸という化学物質である等が期待されています［38］．一方で，プラズマ処理により，ことを明らかにしています［28］．

空気から窒素肥料成分を生成できることが明らかとなり，

2000 年代になると，プラズマ医療科学として，生体へ

従来の大量のエネルギー消費と CO2 排出を伴うハーバー・のプラズマの照射も盛んに試みられるようになってきま

ボッシュ法に代わる，新たな窒素固定法として世界中でした．大気圧低温プラズマは，創傷治療においても有望研究が活発化しています．

な選択肢として研究されており，プラズマを傷口に照射

また，プラズマ技術は，食品の殺菌や保存にも利用され，することで，傷の治癒が促進されることが実証され［29］，

食品の品質を向上させる役割を果たしており，高木浩一

ドイツではプラズマ治療機器が実用化されています．まらによって，食品の長期保存や品質の保持に対するプラ

た，2010 年代には，プラズマはがん治療に有望な手法とズマの応用が研究されています［39］．

して研究が進んでおり，特に大気圧低温プラズマを用い

3．2．7

たがん細胞の選択的自死（アポトーシス）や腫瘍の縮小

プラズマ診断の歴史などの研究が進められており，外科手術や放射線療法にプラズマプロセス診断については，発光分光，吸収分

代替手法として期待されています．特に，2013 年には，

光，レーザー分光，質量分析等，様々な手法があります．

堀勝らによって，プラズマを照射した細胞培養液をがん

ここでは，これまでに述べたプラズマ応用分野に関して，

細胞や組織に注入することで，がんを正常細胞に対して放電やプロセスのメカニズム解明に関係した例を取り上高選択比で死滅させることができることが見いだされまげます．

した［30］．この培養液は，プラズマ活性培養液（PAM：

薄膜堆積の分野では，特にシランプラズマを用いた水Plasma Activated Medium）と命名され，国際用語になっ

素化アモルファスシリコンの成膜前駆体の特定のために，ています．

様々な手法が試みられてきました．1980 年には，Turban

一 方 で，2000 年 代 中 頃 に は， ド レ ク セ ル 大 学 の等によって質量分析が試みられ，最も密度の多いイオン

Fridman ら［31］，産業技術総合研究所の池原譲ら［32］のが SiH3 ＋ であることが明らかになりました．その密度は取り組みにより，低温プラズマを利用した血液凝固促進

電子密度とほぼ同じであり，電荷中性が主にこのイオン法の研究が進められました．低温プラズマが生成する高によって成り立っていることが明らかにされました．松

い反応性を有する活性種や電荷が凝固プロセスに影響を田彰久らは，質量分析のイオン化を ON/OFF することに与えることが理解され，プラズマ照射部の温度を体温レ

よって，中性ラジカルの密度がイオンよりも 4 桁から 5ベルに保ちながら短時間で血液が凝固するため，画期的

桁多いことを明らかにしました［40］．成膜速度を説明すな止血方法として低侵襲手術の実現に寄与できることがるために必要な前駆体の密度が中性ラジカルの密度に近報告されています．

いことから，成膜前駆体は中性ラジカルであると推測さ

また，低温プラズマを用いた遺伝子導入技術の開発もれるようになりました．基底状態の中性ラジカルの光学進められています．2002 年に藤沢薬品工業（現アステラ的測定のためには，外部からの励起が必要であり，レース製薬）の佐藤晋らによって知財化された後，同社の小ザー誘起蛍光法（LIF：Laser-Induced Fluorescence）に

川恭弘らにより論文として報告されましたが［33］，細胞よる Si と SiH の計測が 1984 年に Schmitt 等によって試み生存率が低く，ダメージの少ないプラズマ遺伝子導入方られました．SiH4 を分解して生成される残りの中性ラジ法が求められるようになりました．その後，神野雅文ら

カルは SiH2 と SiH3 であり，SiH3 については，1988 年に［34］や金子俊郎ら［35］のグループによって，種々のプラ

後藤俊夫，廣田栄治等によって赤外レーザー吸収分光法

ズマ装置を用いて，低侵襲で高効率のプラズマ遺伝子導が適用され，その密度が，成膜速度を説明できるオーダー入手法が開発され，また導入機序の解明も進められておであり，成膜速度との相関もよいことが明らかにされてり，遺伝子治療の分野でのプラズマ応用が期待されていいます［41］．
エッチングプラズマについては，これまでに SiH4 プラ

ます．

ズマの診断で発展したレーザー吸収分光法が適用されま

3．2．6

プラズマの農業応用の歴史した．特に，フッ化炭素系プラズマについては，後藤俊夫，

プラズマの農業への応用も盛んになっています．低温プ

堀勝等によって精力的にラジカル密度が計測され，それラズマを用いた病害の管理技術が研究されており，2010まで CFx ラジカルが成膜の前駆体であるとされていた仮年代から，残留性の少ない植物病原菌の殺菌法として多定が，条件によっては全く成り立たないことや壁からの
16

Project Review

3.2 Plasma Application	

T. Kaneko

生成がある，ということを見出しています［42］．また，その他にも，ストリーマ放電，誘電体バリア放電のシ

菅井秀郎，豊田浩孝は，質量分析器のイオン化エネルギー

ミュレーション，さらには，プラズマと気体（大気圧プを精密に可変する出現質量分析法を開発し，困難であっラズマジェット），液体（プラズマ処理水，プラズマ活性

た中性ラジカルの計測を可能にしました［43］．

培養液），固体（表面改質，プラズマ触媒作用）との相互

一方で，近年の大気圧低温プラズマにおける医療・農作用に関するモデリング・シミュレーションが行われて業応用研究を推進するには，大気圧プラズマ中ならびにおり，現在でも日々進展しています．

プラズマを液体に接触させた際に形成される界面（プラ3．2．9

ズマ気液仮面）領域での，気相・液相の各相あるいは界気液界面プラズマの歴史面における粒子の（電子，イオン，活性種等）の輸送や気液界面プラズマとは，プラズマ（気相）と液体（液相）

反応過程を解明するための診断技術が必要とされていまとを組み合わせた放電形態のことを指し，気相中で生成す．そのために，「レーザー誘起蛍光法による大気圧プラしたプラズマを液体に接触させる方法と液相中で直接プ

ズマ中のラジカル計測」，「レーザートムソン散乱によるラズマを生成する方法があります．どちらの手法でもプ

大気圧プラズマの電子密度・電子温度計測」，「質量分析ラズマと液体が接触した境界，すなわち「プラズマ気液法による大気圧プラズマ中のイオン計測」，「電子スピン界面」が存在し，バルクの液相領域とは異なった性質を共鳴法によるプラズマ照射液体中ラジカル測定」等の診示すため，様々な反応場としての活用が期待され，多く断技術が発展してきています．

の研究が行われており，いくつかのレビュー論文にまとめられています［47］．ここでは，その中から幾つかの例

3．2．8

 ラズマのモデル化・シミュレーション
プの歴史を紹介します．
液体を電極として用いた放電は，1887 年の Gupkin ら

放電プラズマのシミュレーションは，最初は，1970～による液体を電極とした大気圧放電実験をはじめとして，

1980 年代におけるハイパワーの気体放電レーザーの開発

Hickling ら，Sato ら，Lock らによって種々の放電形態ののために行われました．その最初の試みは，Johnson にプラズマが生成されています．気液界面プラズマは様々

よって行われた KrF レーザーのモデル化とシミュレーな分野に応用されており，酸化処理・分解などの化学分ションです．レーザーのモデル化・シミュレーションでは，

野における応用から，バクテリア分解などによる排水処

対象とする原子の種類は少ないが，同じ原子であっても理等の環境改善，液体中の微量物質分析等に使われ，さ異なるエネルギー準位にあるものは区別して扱うため，らにはがん治療や遺伝子導入等の医療分野にまで及んで考慮したエネルギー準位の数だけ異なる化学種を扱っています．また，ナノ材料合成への応用も盛んに行われていることになります．これは，異なる化学種を多数扱わおり，化合物含有溶液に対してプラズマによる水素還元

なくてはならないプロセスプラズマのモデル化とシミュやグロー放電による電子還元作用を用いて気液界面領域

レーションをしていることと同じでした．同様のモデルに金属ナノ粒子を合成する手法等が報告されています．

化・シミュレーションを行っていた Kushner は，これを一方で，液相中でアーク放電プラズマやグロー放電プ

エッチングプロセスプラズマに適用しました．モデル化手ラズマを発生させ，様々な表面処理や材料合成に応用す法についても改良がなされ，実用周波数である 13.56 MHzる研究も数多くなされています．このうち，液相中で生に対応させた緩和流体モデルが真壁利明等によって開発成するグロー放電プラズマはソリューションプラズマとされました［44］．

も呼ばれており［48］，液相中の非平衡プラズマであるこ

誘電体バリア放電形式で大気圧において放電させると，とから，同じ液相中プラズマの液相中アーク放電プラズ

一般には，ストリーマ放電と呼ばれる縞状の放電となりま

マに比べて溶液温度の上昇が抑えられるという特徴があ

すが，岡崎幸子等は，1988 年にヘリウムガスを用いる場

ります．このような特徴を生かし，金ナノ粒子を始めと合には，グロー状の均一な放電となることを初めて見出した金属・半導体ナノ粒子の合成や天然高分子の低分子しており，現在の大気圧プラズマ研究と応用の定礎となっ化，ナノカーボン材料の合成等の様々な分野への応用がています［45］．この大気圧グロー放電に関する計算機シ

行われています．

ミュレーションに着目すると，1990 年代後半から 2000 年

プラズマが液体と接触する界面では，プラズマを生成

代後半の約 10 年の間で，様々なモデル（流体モデル（局するガスや液体の種類によって，多種多様な活性種や前所電界近似や擬似熱平衡近似），粒子モデル（PIC/MCC

駆体が生成され，それらが上述した生体作用や材料合成法），これらを組み合わせたハイブリッドモデル）によるに大きく寄与しています．活性種の中でも寿命が短い（ 1

シミュレーションが，Massines ら，Tochikubo ら，Raja

秒以下）短寿命活性種は，その反応性の高さから生体・ら，Golubovskii ら，Kong らの研究グループによって，精植物への作用効果が高いと考えられており，プラズマが力的に進められました．彼らのグループは，印加電圧（直照射された液体の界面での短寿命活性種の時空間計測が流，交流，パルス），駆動周波数（低周波～高周波（RF）），

重要となっています．金子俊郎らは，直径 0.1 mm 程度

原料ガス，誘電体電極の有無など様々な条件における大の細い高速液柱流を使って，プラズマを照射した際に生気圧グロー放電の基礎的特性に関して数多く報告を行っ成される短寿命ラジカルの時間発展をサブミリ秒のオーています［46］．

ダーで計測することに成功しています［49］．
17

Journal of Plasma and Fusion Research

3．2．10プラズマ応用のまとめ

Vol.100, No.1

January 2024

［20］H. Sakaue et al., Jpn. J. Appl. Phys. 29, 2648 (1990).
［21］K.J. Kanarik et al., Solid State Technol. 56, 14(2013).
［22］K. Tamaki et al., Nippon Kagaku Kaishi 2, 1582
(1979).
［23］A. Mizuno et al., IEEE Trans. Ind. Appl. 22, 516(1986).
［24］J.S. Clements et al., IEEE Trans. Ind. Appl. 23, 224(1987).
［25］A. Bogaerts et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 443001(2020).
［26］T. Nozaki et al., Energy Fuels 21, 2525 (2007).
［27］P.T. Jacobs and S.M. Lin, in Irradiation of Polymers,
ed. R.L. Clough and S.W. Shalaby (American Chemical Society, 1996), Chapter 17, pp.216-239.
［28］S. Ikawa et al., Plasma Process. Polym. 7, 33 (2010).
［29］S. Arndt et al., PLoS One 8, e79325 (2013).
［30］F. Utsumi et al., PLoS One 8, e81576 (2013).
［31］G. Fridman et al., Plasma Chem. Plasma Process. 26,
425 (2006).
［32］S. Ikehara et al., Plasma Process. Polym. 12, 1348
(2015).
［33］Y. Ogawa et al., Biotechnol. Bioeng. 92, 865 (2005).
［34］M. Jinno et al., Arch. Biochem. Biophys. 605, 59(2016).
［35］T. Kaneko et al., J. Clin. Biochem. Nutr. 60, 3 (2017).
［36］B. Adhikari et al., Front. Plant Sci. 11, 77 (2020).
［37］D. Tsukidate et al., PLoS One 17, e0269863 (2022).
［38］K. Koga et al., Appl. Phys. Express 9, 016201 (2016).
［39］K. Takaki et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 43, 3476
(2015).
［40］A. Matsuda and K. Tanaka, Thin Solid Films 92, 171(1982).
［41］N. Itabashi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 27, L1565(1988).
［42］K. Takahashi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 32, L694
(1993).
［43］H. Sugai and H. Toyoda, J. Vac. Sci. Technol. A10,
1193 (1992).
［44］T. Makabe et al., Phys. Rev. A45, 2520 (1992).
［45］S. Kanazawa et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 21, 838(1988).
［46］F. Tochikubo et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38, 5244
(1999).
［47］P.J. Bruggeman et al., Plasma Sources Sci. Technol.
25, 053002 (2016).
［48］N. Saito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 57, 0102A4 (2018).
［49］K. Takeda et al., Appl. Phys. Express 14, 056001(2021).

以上のように，プラズマ応用のサイエンスチャートとして，プラズマ応用に関するいくつかの分野についてその歴史を含めて紹介しましたが，プラズマ応用の分野は非常に幅広く，本章で全てを紹介できてはいないことをご了解いただきたいと思います．
現在，応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会
では，アカデミックロードマップの改定が進められていますし，また，日本学術会議「未来の学術振興構想」において，堀勝らが申請した「低温プラズマの学術とイノベーション推進のための研究戦略」が採択されています．
図 1 の樹形図が，さらに発展して大樹となっていくことを期待しています．

参考文献［ 1 ］https://www.jsap.or.jp/archives/jsap75/academic_roadmap.html［ 2 ］M. Jinno et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38, 4608 (1999).
［ 3 ］H. Kinoshita et al., Vac. Sci. Technol. B7, 1648
(1989).
［ 4 ］K. Tachibana, IEEJ Transactions on Electrical andElectronic Engineering 1, 145 (2006).
［ 5 ］O. Sakai and K. Tachibana, Plasma Sources Sci.
Technol. 21, 013001 (2012).
［ 6 ］R.C. Chittick et al., Electrochem. Soc. 116, 77 (1969).
［ 7 ］R. Hatakeyama et al., Plasma Chem. Plasma Process.
34, 377 (2014).
［ 8 ］M. Hiramatsu et al., Appl. Phys. Lett. 84, 4708
(2004).
［ 9 ］M. Shiratani et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39, 287 (2000).
［10］Y. Tanaka et al., Jpn. J. Appl. Phys. 59, SHHE07(2020).
［11］M. Shigeta, IEEJ Trans. Electr. Electron. Eng. 14, 16(2019).
［12］Y. Hayashi and K. Tachibana, Jpn. J. Appl. Phys. 33,
L804 (1994).
［13］J.H. Chu and L.I. Phys. Rev. Lett. 72, 4009 (1994).
［14］H. Thomas et al., Phys. Rev. Lett. 73, 652 (1994).
［15］H. Abe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 12, 154 (1973).
［16］R.A.H. Heinecke, Solid·State Electron. 18, 1146
(1975).
［17］J.W. Coburn and H.F. Winters, J. Appl. Phys. 50,
3189 (1979).
［18］J.C. Arnold and H.H. Sawin, J. Appl. Phys. 70, 5314
(1991).
［19］T. Mieno and S. Samukawa, Jpn. J. Appl. Phys. 34,
L1079 (1995).

18

T. Kaneko

プラズマ応用サイエンスチャート．

3.2 Plasma Application	

図1

Project Review

19

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 20-24

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．3

核融合プラズマ

3.3 Fusion Plasma
浅 井 朋 彦，雨 宮 高 久

ASAI Tomohiko and AMEMIYA Takahisa
日本大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, fusion plasma

磁場閉じ込め核融合プラズマの歴史は，これまで「装置」とからベータ値が高く，イオンが局所性を持たないことの変遷や同方式内の開発史としてまとめられたものが一から，二流体緩和など新たな学術課題も生まれています．

般的となっています．ここでは，学術的なつながりに主1990 年代後半以降，北米を中心に核融合開発を行うスター

眼を置き，研究の流れやそれらの関連性についてインフォ

トアップ企業が創立されていますが，これらの多くが関グラフィックスとして整理することを試みました．

連する方式を採用していることも興味深い傾向です．
高い閉じ込め効率とプラズマの制御性の両立をめざす

少々粗い分類ですが，現在の核融合プラズマ研究に繋がった実験研究は，大きく 2 つの源流を持つように思わ球状トカマクや，トカマクにおける内部輸送障壁（ITB）

れます．一つは，放電現象などから始まった，プラズマやヘリカルにおける帯状流の形成など，プラズマの自己を閉じ込めて制御しようという流れです．核融合研究の調整機能を利用することで高性能なプラズマが得られる

黎明期には，単純ミラーや単純トーラスを経て，閉じ込ことが見出されたように，上記の 2 つの「流れ」の境界

め性能や不安定性の制御などを目的とした様々な装置がで新たな発見が得られています．

考案され，実験が行われました．ステラレータ／ヘリオに向上すると，閉じ込め性能を劣化させる不安定性の発3．3．1

 究のはじまりから「装置」が主役にな
研るまで

見・理解とそれらの制御という研究サイクルによって，核融合プラズマ分野の歴史において，その黎明期ではプラズマ性能が着実に向上してきました．やがてプラズ

実験装置は学術的な課題を解決するための手段の一つでマ性能が装置スケールに依存するようになると，研究コあり，様々な装置が考案，建設されました．ここでは装置

トロンに続きトカマクが開発され，閉じ込め性能が格段

ミュニティや歴史も，「方式」に紐づけられて整理されるが大型化し，歴史が閉じ込め方式に紐付けされるものになようになりました．

る以前の歴史について概観してみたいと思います［1-3］．

もう一方は，アルヴェーン（H. Alfvén）などの実験に1920 年， 英 国 の 天 文 学 者 で あ る エ デ ィ ン ト ン（A.S.

端を発する，天体プラズマで生じる現象を実験により理

Eddington）は，星の進化を説明する際に，アストン（F.W.

解しようという流れです．電磁流体力学的（MHD）緩和

Aston）の軽元素の同位体発見に基づき，水素とヘリウム状態としても知られるスフェロマックは，1960 年頃にアによる恒星での核融合反応の可能性を指摘しました．こルヴェーン等が同軸ガンにより磁化プラズマリングの生の指摘は，原子核の融合反応によって莫大なエネルギー成を行ったことが起源とされています．緩和に伴う不安が発生するという「核融合」エネルギーの存在を初めて定性は学術的な興味の対象でもあり，プラズマとしての論じた研究と位置づけられています．その後，1928 年にあるがままの状態を利用し，高効率な核融合方式をめざガモフ（G. Gamow）がアルファ崩壊に量子論を適用しす研究が比較的小型の装置により数多く行われてきたこて， 2 つの原子核間の強い相互作用がクーロン力を打破とも特徴です．外部磁場コイルによる制御を行わないこする確率を推定し，アトキンソン（R.d’E. Atkinson）とDepartment of Physics, College of Science and Technology, Nihon University, TOKYO 101-8308, Japancorresponding author’s e-mail: asai.tomohiko@nihon-u.ac.jp

20Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

3.3 Fusion Plasma	T. Asai and T. Amemiya

ハウターマン（F.G. Houtermans）は 1929 年に太陽のエ1957 年にはローゼンブルース（M.N. Rosenbluth）とロネルギーが水素からヘリウムへの融合反応の結果である

ングマイヤー（C.L. Longmire）が MHD 不安定性の安定として，定量的に天体の核融合を説明することを試みま

化条件を論文として発表しています．ところが，この当した．さらに 1938 年，ベーテ（H.Bethe）やワイゼッカー

時は理論と実験の対応が悪く，巨視的な MHD 不安定性に（C. Weizsäcker）によって，太陽の核融合反応サイクル

対しても，安定化の方法が模索されている段階でした．

（CNO サイクル）が発表されています．

その後，極小磁場（min.B）配位と平均極小磁場（Averagemin.B）配位が提案され，実験による実証が試みられましこのような理論的な研究に加えて，1932 年にはコック
クロフト（J.D. Cockcroft）とウォールトン（E. Walton）

た．極小磁場配位の実験的実証としては，ソ連のヨッフェ

が電圧増倍整流装置（加速器）を用いて，リチウムに陽（M.S. Ioffe）らによって行われた複合磁場によるミラー子を照射してヘリウムを生成する反応に成功しています．

装置での実験が挙げられ，同成果は 1961 年 9 月に開催さ

なお，物質の第四状態を「プラズマ」と初めて称したのは，れた国際原子力機関（IAEA）主催の第 1 回プラズマ物理

ラングミュア（I. Langmuir）の 1928 年のプロシーディンと制御核融合研究に関する国際会議（The International

グであったようです．

Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear

このような純粋な学問としての核融合反応に関する研

Fusion Research， 現 在 の Fusion Energy Conference の究が進められた反面，戦争の影響もあって，核融合反応

前身，以下 IAEA 会議）で Post deadline paper として発の兵器利用がアメリカやソ連，イギリスなどを中心に進表されました．一方，平均極小磁場配位の効果を実証しめられることになり，核分裂反応と同様，核融合反応のた最初期の成果としては，General Atomics（GA）に所研究も各国で機密事項として取り扱われました．しか属していた日本人研究者である大河千弘らが，1965 年 9し，エネルギー利用をめざした研究の多くは軍事研究と月の第 2 回 IAEA 会議で発表した内部導体系装置（Toroidal

は別に進められ，各国で実験装置が建造されました．イ

Octupole）による水素プラズマの閉じ込め実験を挙げる

ギリスのトーラス型ピンチ装置 ZETA，ソ連のミラー装ことができます．

置 OGRA，アメリカのステラレータ - ヘリオトロン型装置

このほか，1965 年までに行われた研究により，ロス・コー

Model C Stellarator はその代表例です．

ン不安定性やドリフト不安定性といった速度空間不安定

1955 年 8 月，スイスのジュネーブで開催された第 1 回性の重要性が認識されたほか，第 2 回 IAEA 会議で報告さ

原子力平和利用国際会議において，議長であったバーバ

れたマルムベルグ（J.H. Malmberg）らによるランダウ（H.J. Bhabha）が，今後 20 年以内に核融合エネルギーの減衰の実験的検証が高い評価を得るなど，この頃までに解放と制御が可能になる，と発言したことをきっかけに，

プラズマ物理学の分野が大きく進展したと言えます．

核融合という原子核反応が広く認知されることになりま

これらの研究に対して，ソ連で開発されたトカマクは，した．また，磁場閉じ込めの観点からすると，1955 年 10

第 2 回 IAEA 会議の段階で全貌が公開されましたが，欧米

月 の NICB（National Industrial Conference Board） 第諸国の研究者はその成果に疑いを持っていました．1968

4 次年会において，スマイス（H.D. Smyth）が電磁場に

年 8 月，ソ連のノボシビルスクで開催された第 3 回 IAEA

よるプラズマ閉じ込めの方法について言及して以降，テ

会議で，ソ連のアカデミシャンであるアルティモービッ

ラー（E. Teller）やクルチャトフ（I.V. Kurchatov），ポチ（L.A. Artsimovich）らは，トカマク装置 T-3 が「ボースト（R.F. Post）らによって，磁場閉じ込めに関する講

ム時間の 30 倍」という，当時としては各段に長い閉じ込

演記録や論文が発表されていきました．それまで，多くめ時間と，1 keV の電子温度を実現したと発表しました．

の研究者（正確には，各国の機密研究に参画していない

会議後，イギリスのカラム研究所のグループがレーザー研究者）たちが「加速器を用いた衝突による核融合反応」

散乱を用いた T-3 の電子温度測定を行い，第 3 回 IAEA 会を前提としていたため，磁場閉じ込めの方法の開示は大議での発表が正確であったことを提示したことで，世界

きなインパクトがあったと推察されます．

各国の研究機関が競ってトカマク装置を建造することに1958 年 9 月に行われた第 2 回原子力平和利用国際会議なりました．

では核融合のセッションが設けられ，各国が一斉に研究

1970 年代に入ると，磁場閉じ込め研究の歴史は「装置」

結果を開示しました．ところが，研究成果から判明したとの紐づけが強くなっていったと言えます．現に，本学のは，ボーム拡散や各種不安定性の影響で，閉じ込めが会誌第 84 巻特集号に掲載された「フローチャートにみる

上手くいかないという状況でした．

核融合の 50 年」においても，1970 年以降になると，研不安定性に関する研究は古くから行われており，例え究機関での装置の完成やその成果がまとめられています

ば 1949 年にはボーム（D. Bohm）らによってボーム拡散［4］．当然ながら，そこには実験装置の大型化や研究の組が，1954 年にはクルスカル（M.D. Kurskal）とシュヴァ織化が関係していると考えられます．

ルツシルト（M. Schwarzschild）によって，MHD 不安定

3．3．2

性（フルート不安定性）に関する理論研究の成果が報告

核融合プラズマインフォグラフィックス

されています．また，1956 年に刊行されたスピッツァー

これらの背景を踏まえ，核融合プラズマ分野の歴史に（L. Spitzer）著「完全電離ガスの物理（“Physics of Fully

ついて学術的トピックスに着目したフローチャートとそ

Ionized Gases”）」では古典拡散について詳述されたほか，れらの相関をまとめたサイエンスチャートインフォグラ
21

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

フィックスを作成しました．フローチャートは，前節でCurrent Drive［6］のような緩和を抑制する試みがなされ解説したようなこの領域の歴史的経緯を学術的な発見にていたことも興味深い点です．一方，トカマクやヘリカ

着目して網羅的に辿ったもので， 3 枚のチャートで構成さルにおいては，H モードへの遷移や ITB の形成など，プ

れています（図 1 ）．

ラズマの自己調整機能により高閉じ込め状態が得られてサイエンスチャートインフォグラフィックス（図 2 ）は，います．俯瞰すると， 2 つの「源流」からの流れが交わる

学術的な興味や課題に着目し，それらの関係を一目で確領域に高性能な磁場閉じ込めプラズマがあるかもしれま

認できるようにまとめたものです．冒頭で解説した「 2 つせん．このような横断的な研究展開が，近い将来，核融の源流」を起点とし，学術課題や閉じ込め方式の関連性

合によるエネルギー生産の実現をもたらしてくれるものをできるだけシンプルにまとめました．直感的なイメーと期待しています．

ジを与えるため，厳密には 1 つの軸には乗りませんが，また，このインフォグラフィックスについては，プラ

ベータ値の高低，動的／静的，自己組織化傾向の高低で，ズマ・核融合学会内の異なる分野の研究者が，一般の方

2 つの系譜を対比させました．

向けの講義などでも容易に使えるようにとの意図に基づ

トカマクやヘリカルにつながる流れは，不安定性を伴いて，簡単な解説（図 2 上）とより広い学問領域との関う緩和や配位の制御を困難にする自己組織化と言ったプ

係（図 2 下）を加えた 2 つのバージョンを作成しました．

ロセスの発生を，強い外部磁場により（言い換えるとベー
タ値を犠牲にして）抑制しているとも言えます．他方，

参考文献

FRC（Field-Reversed Configuration）や Spheromak/［ 1 ］広重 徹：自然 13, 3 (1958)．
［ 2 ］宮本健郎：プラズマ物理・核融合（財団法人東京大学
出版会，東京，2004）p. 257.
［ 3 ］C.M. Braams and P.E. Stott, Nuclear Fusion Half a
Century of magnetic Confinement Fusion Research(IoP, 2002).
［ 4 ］松 岡 啓 介： プ ラ ズ マ・ 核 融 合 学 会 誌84特 集 号 , 92(2008)．https://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/
jspf2008_10b/jspf2008_10b-92.pdf［ 5 ］E. Kawamori and Y. Ono, Phys. Rev. Lett. 95, 85003(2005).
［ 6 ］Y. Yagi, Nucl. Fusion 45, 138 (2005).

RFP（Reversed Field Pinch）などの方式は，プラズマをあるがままの状態に置くことで高効率な閉じ込めを得よ
うとする方式であるとして対比すると，その概念の違いがわかりやすいように思います．
トーラスにおいて最も高いベータ値を持つ FRC や無力
配位とも呼ばれる Spheromak は緩和状態にあり，ロバス
ト安定性を持つとも言われています［5］．有限な抵抗を持
つプラズマでは，電流分布の制御などがなければプラズマは緩和し続け，その際に生じる不安定性は閉じ込め性能を劣化させます．これを避けるため，例えば Spheromak 同様にテイラー緩和状態にある RFP では，Pulsed Poloidal

22

Project Review

3.3 Fusion Plasma	

図1

磁場閉じ込め核融合プラズマの変遷フローチャート．

23

T. Asai and T. Amemiya

Journal of Plasma and Fusion Research

図2

Vol.100, No.1

January 2024

核融合プラズマサイエンスチャート：（上）解説付き ,（下）学問分野との関係性．

24

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 25-27

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．4

慣性核融合・高エネルギー密度科学

3.4 Inertial Fusion and High Energy Density Science森

芳 孝，佐 々 木 徹 1 ）MORI Yoshitaka and SASAKI Toru 1 ）光産業創成大学院大学， 1 ）長岡技術科学大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, inertial fusion, high energy density science

出力エネルギーの比で表される核融合利得は 1 を超え，科慣性核融合は，核燃焼の点火条件を達成するために，
短時間に非常に大きなパワーを燃料に注入します．パワー

学的ブレークイーブンとなる核融合発電に向けたマイルス

注入の有力な候補として，ハイパワーレーザー及びパル

トーンとなりました．一方，レーザー核融合発電の実現に

スパワー，そしてパルスパワー技術を用いた大電流荷電は，さらなる研究開発が必要です．核融合利得を 100 以上

粒子ビームが挙げられます．年代に応じて , 慣性閉じ込めに高めること , 核融合エネルギーを回収して電気に変換す研究がどのように発展し関連分野に拡がる様子をチャー

ること，繰り返し 10 Hz 程度のレーザーを用いて反応を繰

ト（図 1 ）に示しました．

り返すことが求められます．国内では，繰り返しハイパワー
レーザーを活用した研究開発が開始されています
［2］
．

3．4．1

ハイパワーレーザー［高エネルギー密度科学］［慣性核融合］
慣性核融合は , 核融合燃料である水素同位体を固体密慣性核融合研究を通じて実現された高密度圧縮・高温度の 1000 倍以上に圧縮し，その一部を温度 1 億度以上にプラズマ状態は , 圧力にして 100 万気圧を超えます．この

高温化して点火し，燃料を燃焼させます．1972 年に爆縮ような超高圧状態は，自然界では惑星・恒星内部でのみによるレーザー核融合の概念が公表［1］されると，ハイパ成立する状態です．実験室でその状態を実現したことにワーレーザーの大エネルギー化と高度化が促進されましより，2000 年代に入り，「高エネルギー密度科学」と呼ばた．1980 年代に 10 キロジュール級のレーザーが日米欧にれる分野の創成につながりました［3］．高エネルギー密度

建設され，1990 年代までに点火温度 1 億度の高温状態と状態における物性や放射流体のダイナミクスを研究対象

固体密度 1000 倍の高密度度状態が個別に達成されました．

として , 流体シミュレーションを活用しながら , 物質の状

その後，両者を同時達成するために，米仏でメガジュー

態を表す状態方程式や物体が光や電磁波を遮蔽する度合

ル級レーザーの建設が開始されました．2009 年に米国でいを示すオパシティの理解が進みました．オパシティの国立点火施設 NIF が実験を開始すると，慣性核融合の点

理解は，光源や輻射応用の基盤となり，次世代半導体製

火燃焼に関する研究が本格化しました．爆縮燃料の中心造技術として実装をめざす EUV（極端紫外線）光源の開部に形成される高温の点火部とそれを囲む高密度の主燃発を支えています．さらに，高エネルギー密度科学の知

料部の同時実現にむけて，照射一様性と流体不安定性の見は，「実験室宇宙物理」（地上の実験室で宇宙物理学に制御に関する知見が深まり，2021 年 8 月に主燃料部が燃関わる現象を模擬する研究）を支えており，天文分野とえ拡がる自己点火が確認され，核融合反応によって生まの連携により，高エネルギー宇宙線，惑星磁気圏，太陽風，れるアルファ粒子による自己加熱が実証されました．翌

宇宙プラズマ等の理解が深まっています．

年 2022 年 12 月には， 2 メガジュールの投入レーザーエネ
チャープパルス増幅技術

ルギーに対して， 3 メガジュールの核融合出力が確認され慣性核融合や高エネルギー密度科学の発展には，レーました．この結果より，投入エネルギーに対する核融合

The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries, Hamamatsu, SHIZUOKA 431-1202, Japancorresponding author’s e-mail: ymori@gpi.ac.jp

25Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

ザー技術のブレークスルーも後押しとなりました．2018

電源を並列動作させることで大電流化を図る技術や低エ

年ノーベル物理学賞の対象となったチャープパルス増幅

ネルギーの多段パルスを磁気結合により直列接続するこ技術の発明により，パルス幅が従来のナノ秒と比べて，とで高電圧を制御性よく発生させる Linear Transformer

ピコ秒からフェムト秒に迫る短いパルスの発生が可能とDriver（LTD）の開発が進められています［5］．

なりました．瞬間パワーがペタワットに迫る高強度レー

このように発展してきたパルスパワー技術は，レーザー

ザーを用いることで，より短時間により高い圧力が達成や加速器を始めとする高エネルギー応用分野だけでなく，可能となりました．その結果，2000 年頃からレーザーのパルスエネルギー注入やそのプラズマを利用した材料創

光圧力でプラズマ中に 1 cm あたりギガボルトに迫る高い

成，殺菌・滅菌あるいは治療を目的とした生物応用・医加速勾配を発生させることが可能となり，加速器科学と療応用，オゾン生成とこれを利用した環境分野などに幅連携しながらレーザーを用いた加速器の実現をめざす研

広く活用されています．

究開発が進められています．さらに，核融合に関連して，［重イオンビーム慣性核融合と大電流加速器技術の進展］

1990 年代後半から高速点火方式とよばれる先進的な点火方式の実験が開始されました．高強度レーザーを物質へ

重イオンビーム慣性核融合は，慣性核融合のエネルギー

照射することで発生する高速電子を活用し，瞬間的に爆ドライバーに重イオンビームを用いたもので，GeV-kA-

縮燃料を加熱する原理実証がなされ，より少ないレーザー

10ns 級の大電流ビームをハンドリングする技術が必要にエネルギーで爆縮燃料を効率的に加熱する研究が進めらなります．従来の加速器技術で最も重要な要素として荷れています．

電粒子を加速するための電圧制御が必要でした．これを制御するためにサイラトロンやクライストロンなどの大レーザープロセス

電力真空管を利用したスイッチングによる制御が行われハイパワーレーザーは，局所的にエネルギーを注入すていました．特に重イオンビーム慣性核融合のシナリオることができることから，レーザー発明時より，レーザーにおいて，極めてエネルギーの高いイオンビームをどの溶接，レーザー加工などへ適用されてきました．その後，ように加速し，燃料標的まで輸送するか，が大きな課題

ファイバーレーザー技術等の進展により，社会への実装としてあり，各国で検討が進められていました［6］．

が深まりました．ハイパワーレーザーによるレーザー加一方，2000 年代に入ると，パワー半導体の技術を応用

工は，レーザープロセス技術として，2020 年頃に実用化した誘導加速シンクロトロンが開発，実証されました［7］．

された EUV 光源も含めて産業を支えており，光源 / 輻射

パルスパワー技術開発と同様にパワー半導体を用いるこ

応用への展開が始まっています．

とで，加速器の保守性と寿命を高めるとともに，半導体のスイッチングによりビームの閉じ込めと加速を自在に

3．4．2

パルスパワー技術制御できるようになりました．これは，従来の加速器技［パルスパワー技術の変遷］

術の延長線上にはなく，小型加速器で大きなビームエネ

パルスパワー技術は，長い時間をかけて電磁エネルギー

ルギーが得られる技術の一つとして位置づけられ，現在を蓄積し，瞬時にエネルギーを放出するものです．パル

も日本版重イオンビーム慣性核融合のシナリオの重要技

スパワー技術開発の初期には，大容量のエネルギー蓄積術の一つとして検討されています［8］．

素子，高電圧・大電流のスイッチング素子としてギャップス

また，大電流イオンビームに必要なイオン源開発におイッチ，パルス整形線路などが用いられていました．1980

いても，レーザーを利用した大電流イオン源が開発され年頃には，単発で発生電力が大きいパルス電源の開発が数ました．レーザーイオン源から供給されるプラズマを加多く進められており，これらをパルス軽イオンビーム源や速器に直接入射し，イオン加速することで高い電流密度

パルス電子ビーム源とした核融合研究や高強度マイクロ波のイオンビームを得ることにも成功しており，重イオン源などの開発が進められていました．これらの研究の流れ

ビーム慣性核融合用イオン源としてだけではなく，医療は，欧米の単発パルスパワー発生器によく見られ，Sandia

用イオン源，中性子源としての可能性も実証されています．

National Lab. の Z-machine などがその例です
［4］
．

参考文献

これらの技術開発の中で，半導体技術の進歩により，［ 1 ］J. Nuckolls et al., Nature 239, 139 (1972).
［ 2 ］森 芳孝 他 : プラズマ・核融合学会誌 97, 352 (2021).
［ 3 ］レーザー核融合とレーザープラズマ応用の発展：プラ
ズマ・核融合学会誌81増刊号（2005）．
［ 4 ］D.A. Yager-Elorriaga et al, Nucl. Fusion 62, 042015(2022).
［ 5 ］江 偉華 他 : プラズマ・核融合学会誌 94, 192 (2018).
［ 6 ］川田重夫 他 : プラズマ・核融合学会 89, 89 (2018).
［ 7 ］T. Iwashita et al., Phys. Rev. ST-AB 14, 071301(2011).
［ 8 ］K. Takayama et al, Phys. Lett. A 384, 126692 (2020).

高速で大電力を扱えるパワー半導体スイッチ（固体スイッチ）が出現したことで，パルスパワー技術の利用方法に大きな転換点が生まれました．従来は，ギャップスイッ
チによるパルスの単発制御が主流でしたが，パワー半導体スイッチの出現により，スイッチの保守が容易となり，長寿命で繰り返し性を有し，高い平均パワーを出力できる
パルス電源の開発が可能になりました．また，これに合わせて磁気スイッチに適した特性を持つ磁性体の開発によりパルスパワー技術が産業へ供されるようになってきま
した．現在は，高速制御が可能な比較的小出力のパルス
26

Y. Mori and T. Sasaki

慣性核融合・高エネルギー密度科学サイエンスチャート．

3.4 Inertial Fusion and High Energy Density Science	

図1

Project Review

27

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 28-34

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．5

構造材料・プラズマ対向材料

3.5 Structural Materials and Plasma Facing Materials
笠田竜太

KASADA Ryuta
東北大学金属材料研究所（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, structural materials, plasma facing materials

核融合炉の炉心に近い位置に置かれる機器は，DT およ

おける主要な研究課題についても時系列的に示されていび DD 核融合反応から生じる高エネルギーかつ高フラッ

ます．このサイエンスチャートを踏まえつつ，3．5．1 節でクスの中性子の照射を受けるため，使用される材料の内は，核融合材料開発の文脈において，代表的な構造材料部に照射損傷が生じます．照射損傷によって生じる材料とプラズマ対向材料の研究開発の流れを概説します．こ

特性の変化は照射効果と呼ばれ，材料強度特性の劣化，

こでは，閲覧可能な報告書を参照しました．次の 3．5．2 節

更には機器の構造健全性の低下に繋がることが懸念されでは，材料工学の文脈において当該分野を特徴づける照ます．照射損傷および照射効果は，商用軽水炉等の核分

射損傷・照射効果研究を中心としたトピックスについて

裂炉の構造材料の経年劣化に関連して重要な研究対象と示します．ここでは，日本の研究者の貢献が大きいことなっており，材料工学分野において原子力材料工学の領を示す高引用数の論文を中心に参照しました．最後に3．5．

域を特徴づけるテーマであると言えます．また，照射損

3 節では，今後の研究課題と展望について論じます．

傷の基礎については，物性物理学分野における格子欠陥

3．5．1に関わる学術領域としても位置づけられています．一方，核融合材料開発の文脈

磁場閉じ込め方式核融合炉において特有の高温・高密度

原子力委員会は 1975 年に「核融合研究開発の推進につプラズマに対向する材料は，特に第一壁材料あるいはよいて」と「第二段階核融合研究開発基本計画」を策定し，り明確にプラズマ対向材料と呼ばれ，プラズマからのイ

この第二段階を原子力特別研究開発計画と格付けして推オン照射による特異な材料表面性状の変化が見られる場

進することを示しました．その後，原子力委員会の下に合があります．このような現象を司るプラズマ ‐ 壁相互設置された核融合会議では，材料分科会（1977-78），核作用については，プラズマ・核融合に固有の研究領域と融合材料照射研究分科会（1983-84）において材料照射研

して位置づけられるとともに，イオン注入法を活用する

究および施設に関する方策が検討されており，これらが半導体製造プロセス等を取り扱う応用物理学分野とも関

研究体制の整備に繋がったと考えられます［1］．1980 年に連しています．

は，文部省科学研究費補助金エネルギー特別研究（核融図 1 に示す構造材料・プラズマ対向材料サイエンス合）（以下，特研）が開始され，当初の全 5 班のうち第 1

チャートでは，核融合炉材料開発の文脈においてはブラ班「炉材料及びプラズマ ‐ 壁相互作用」の中で，重照射効

ンケット工学とダイバータ工学と関連づけて上記の核融

果，プラズマ ‐ 壁相互作用，中性子工学，接合工学がサブ合炉構造材料とプラズマ対向材料の固有の材料名が時系班として活動し，現在に連なる多くの核融合材料工学分列的に示されています．それぞれの材料は，必ずしもそ野の研究テーマのインキュベーターとして機能したこと

れらの初出の順番には並んでいませんが，トピックスとが示唆されます．1984 年には，現在も続く核融合炉材料

して注目されたタイミングを凡そ示すように努力してい国際会議（ICFRM）が東京で初めて開催されており，我ます．併せて，原子力材料工学を含む材料工学の文脈にが国が核融合炉材料開発に関して当時からイニシアティ

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8577, Japanauthor’s e-mail: ryuta.kasada.e7@tohoku.ac.jp

28Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

3.5 Structural Materials and Plasma Facing Materials	

ブをとっていたことを示しています．

R. Kasadaす．バナジウム合金については，1960～70 年代の高速増殖炉燃料被覆管材料として開発された知見が生かされて［構造材料］

おり，東北大学等で核融合炉液体リチウムブランケット

先述した特研では，核融合炉構造材料として，第 1 種を主眼とした基礎研究が進められました．2000 年代には

「SUS316， 同 改 良 鋼（JPCA）」， 第 2 種「Fe-Ni-Cr 系 耐

NIFS-HEAT-2 と呼ばれる 166kg 級インゴットが得られる

熱合金」，第 3 種「フェライト／マルテンサイト鋼」，第 4

ようになるなど，NIFS が中心となって研究が進められて

種「高融点合金（V 合金，Mo 合金等）」，第 5 種「その他きました［3］．SiC 材料の核融合炉への適用性については（長範囲規則合金，Al 合金，非金属材料等）」の順に候補

1970 年代には検討されていましたが，米国や日本を中心材として挙げられました．JPCA は米国の PCA（Primaryに研究開発が本格化したのは 1990 年代に入ってからでしCandidate Alloy）を参照して作られた 316 系のオーステ

た．また，SiC/SiC 複合材料に使用される SiC 繊維の製造

ナイト鋼であり，ボイド・スウェリングの抑制を指向し法の基本プロセスは，東北大学金属材料研究所附属量子て Ti 添加が施されています［2］．その後 ITER の設計要求

エネルギー材料科学国際研究センター（以下，大洗センがボイド・スウェリングを問題としない程度の中性子照ター）における研究成果［4］を元として，日本のメーカー

射量や使用温度に収まったこともあり，ITER の主要構造が実用化に成功しています．複合材料化については 1990

材料は産業基盤が確立している SUS316 系材料とされたも年代より核融合炉を含む原子力用途も包含して京都大学のと考えられます（ただし，比較的低温の照射による延等で精力的に進められました［5］．他にも高温ガス炉燃料

性喪失や照射クリープの問題には注意する必要がありま［6］，近年では軽水炉の事故耐性燃料用材料［7］としても，

す）．中性子工学分野での検討が進むと，重照射環境におSiC 材料が着目されています．また，この間に SiC/SiC 複

いて構造材料の放射化が問題になり得ることから，「低放合材料が航空機材料として実用化されたことは材料工学

射化材料」の概念が 1983 年頃に米国において提示されま分野においてもゲームチェンジングと言える特筆すべき

した．火力発電用に開発され高速炉用としても研究され成果です．この頃から開発された他の重要な材料として，ていた HT-9 のようなフェライト系耐熱鋼を元に低放射化

酸化物分散強化（ODS）合金が挙げられます．1960 年代

元素に置き換えられた Fe-9Cr-2WVTa-C を基本組成とすに発明された ODS 合金はメカニカルアロイング法によっる低放射化フェライト鋼と同等の考え方から，日本ではて製造された最初の合金であり，一部は航空機エンジン

当時の原研を中心とした F82H［2］と，大学を中心とした用等で実用化されました．原子力用途としての開発の進JLF-1 等の多様な低放射化フェライト鋼の研究開発が進め

展には時間が掛かりましたが，高速増殖炉用燃料被覆管られました．また，SUS316に代表されるオーステナイト・

材料として旧核燃料サイクル開発機構が中心となって加ステンレス鋼の Ni を Mn に置き換えて低放射化性能を高工プロセスと合金開発を進めた ODS フェライト鋼が優れめた Fe-Cr-Mn を基本組成とする低放射化オーステナイト

た材料特性を提示したことを契機として［8］，ナノ酸化物

鋼の研究も行われました［2］が，高温強度，耐食性，崩壊

粒子形成挙動に対する世界的な関心が高まりました．そ熱等の課題があり研究は下火となりました．

の後，京都大学を中心に次世代原子炉や核融合炉材料と1992 年に開始した第三段階核融合研究開発基本計画（原して，北海道大学を中心に事故耐性燃料被覆管としての子力委員会）では，「高いフルエンスの中性子照射に耐え開発が行われる中でナノ酸化物粒子の微細分散を可能とる構造材料，ブランケット材料，計測・制御機器及び低する合金設計指針が明らかとなり［9，10］，実用化に向け

放射化材料の開発を進めるとともに，中性子照射によるた検討が産業界とともに進められています．また，ダイ

材料特性等のデータの蓄積を行う」ことが実施内容としバータのヒートシンク用途に向けた ODS 銅合金［11］やブて明記されて以降，原研，大学における候補材料の開発

ランケット構造材料として低放射化 ODS オーステナイト

研究は一定の範囲に集約化が進められました．2000 年の鋼［12］の検討も進められています．

原子力委員会第136回核融合会議では，「中期的展望に立っ

材料工学分野において近年注目されている高エントロ

た核融合炉第一壁構造材料の開発の進め方について」がピー合金は優れた耐照射性を期待できることが示されつ

計画推進小委員会より示され，この中で第一壁構造材料

つあり［13］，今後の進展が期待されます．また，積層造の要件から，低放射化フェライト鋼，低放射化バナジウ

形技術についても原子力あるいは核融合炉材料に適用し

ム合金，SiC/SiC 複合材料が主たる候補材として提示さようとする動きは海外では活発に見られるものの［14］，れました．その後，2005 年に示された原子力委員会核融

日本国内での当該技術への投資は不足していると感じら

合専門部会「今後の核融合研究開発の推進方策について」れます．

において主要候補材料として示された低放射化フェライ

以上のように，核融合炉構造材料の研究開発の発端はト鋼については，F82H を ITER-TBM および DEMO 炉以

材料工学分野あるいは原子力材料工学分野での実績を応降の構造材料として規格化すべくデータベースの拡充が用あるいは改良する形で進められたものが多い点が特徴

QST を中心に進められており，世界をリードする材料とです．そのためか 1980 年代の特研の採択者には冶金系出

して国際的にも認知されています．低放射化フェライト

身の研究者が多く見られます．その後，研究の系譜は核鋼は，元となったフェライト系耐熱鋼よりも優れた耐照

融合炉材料研究で学位を取得した世代に受け継がれ，現射脆化特性を有していることも明らかになりつつありま

在も続く照射効果研究や耐照射性材料の開発に繋がって
29

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

3．5．2

います．

January 2024

材料工学の文脈［照射損傷・照射効果］［プラズマ対向材料］

原子力材料工学あるいは核融合炉材料工学を特徴づけ

1980 年代の大型トカマク装置のプラズマ閉じ込め性能

る根幹は，高エネルギー粒子線照射によって物質あるいの向上には，ベリリウム，ホウ素，炭素のようないわゆるは材料中に生じる照射損傷と，その結果として材料特性

低 Z 材をプラズマ対向材料に採用したことも貢献したと考に変化を与える照射効果です．自然界においても，放射えられます［15］．しかし，原型炉以降では中性子照射の性元素を含む天然鉱物に見られるメタミクト現象が照射

影響，スパッタリングによる摩耗，三重水素のリテンショ

誘起非晶質化を要因とすることが知られています．しかン等が問題となるため，低 Z 材料の利用は極めて難しいとし，照射損傷と照射効果の研究が重要視されるようになっ認識されています［16］．当初の ITER 計画では，先ずは耐たのは，原子炉の発明以降と言ってよいでしょう．

熱衝撃特性に優れた炭素材料を用いて，DT 運転開始前に照射損傷は入射粒子が固体中原子に衝突することに

高 Z 材であるタングステン材料に交換する二段構えの計画

よって運動エネルギーを付与し，構造の乱れを起こしなとなっていましたが，ITER が建設段階に入ると当初からがらエネルギーを散逸していく過程において生じます．

後者を使用するという決定が為されました［17，18］．この

その際，原子に付与されるエネルギーが十分に高ければ決定はプラズマ対向材料の研究のトレンドを大きく変化

原子のはじき出しが生じて，空孔と自己格子間原子のペさせる契機となりました．タングステン材料は，少なくアであるフレンケル対が形成されます．導入された点欠とも照射を受けない環境では三重水素のリテンションが陥は，拡散を通して点欠陥同士で合体あるいは消滅して低いことや，低 Z 材よりもスパッタリングしにくい点が利いきます．照射欠陥の生成は入射粒子の運動エネルギー点とされています［19］．タングステンをプラズマ対向材や損傷速度に対する非線形性が極めて強い現象です．高料として使用する場合には他の材料に対する接合・被覆

エネルギーの中性子やイオンを照射するとカスケード損技術開発が必須であり，ダイバータヒートシンクの銅合傷と呼ばれる空間的スケールの大きな連鎖的な損傷も起金とのロウ付けや，鉄鋼材料への爆接，溶射，固相接合

こります．核反応断面積が非連続的なエネルギー依存性など様々な手法の適用性が評価されています［20］．また，を示す核変換現象によって生じた異種原子と点欠陥の相強度特性や微細組織への照射影響に関する知見について互作用も考慮する必要があります．

は，我が国において大学の研究者が JOYO，JMTR，日米

照射損傷によって生じた点欠陥が消滅・合体を通して

科学技術協力事業を通した HFIR 等の利用を通して地道に二次欠陥を形成していく時間発展過程あるいは照射量依蓄積してきた点が高く評価されています［21］．タングス

存性については，点欠陥反応速度論等を基に説明されま

テンは，金属ではあるものの脆性的な材料として知られす．この際，自己格子間原子と空孔の形成エネルギーやており，高靭性化を狙った材料開発も進められています

移動エネルギー，他の欠陥との相互作用，欠陥クラスター［22］．脆性材料であるタングステンに対して三重水素のの安定形状等の違いがバイアスの要因となり，微細組織

環境放出に対する安全バウンダリーとしての役割を担わの変化として顕微的に観察されるスナップショットの違せることには高いハードルがあり，ある程度のき裂を許

いを生み出します．結果として，電気抵抗率や機械的強容できるアーマー材としての利用に限定せざるを得ない度特性等の材料特性に及ぼす照射効果の照射量依存性，と考えられます．この場合においても，アーマー材とし温度依存性，損傷速度依存性を複雑なものにします．

ての熱機械的特性に及ぼす照射影響を解明し，機器としところで構造材料の劣化とは，構造材料自身の有するての構造健全性を保持するための基準を明らかにする必

機械的特性と，構造材料の置かれる環境，そして作用す要があると考えられます．このための合理的な設計基準

る応力によって決まる現象として知られています．ここを構築することは，チャレンジングな工学課題であるとで環境とは，一般的には他の物質（気体，液体，固体）

言えます［23］．

との材料表面を介した相互作用を与えるものであり，そプラズマ対向材料としての機能性の観点からは，プラの相互作用の機構や程度は温度や圧力に依存します．環ズマ ‐ 壁相互作用の理解が重要であり，初期にはプラズ

境には電磁場を含めることもありますが，一般的には電マ閉じ込めに悪影響を及ぼさない壁機能の維持にとって磁力として材料に働く応力として位置づけることになり重要となるスパッタリングやブリスタリングに関してのます．核融合炉構造材料の使用環境でもある高エネルギー研究が進みました．近年，日本において高温壁条件を模

粒子線の照射環境については，他の環境と材料の相互作

擬したタングステン等の材料表面にファズと呼ばれる特用とはやや異なる点があります．高エネルギー粒子線の異なメソスケール構造形成の発見があり，マルチスケー

照射は材料表面に対してのみならず材料内部から生じる

ルシミュレーションによる機構解明が進んでいます［24，場合があることに加えて，その相互作用も表面のみなら

25］．これらのプラズマ対向材料の研究は，核融合炉設計

ず材料内部の原子に対して直接的に大きなエネルギーをにおけるプラズマ要件と切り離せないことに加え，プラ

付与することができる点が異なるのです．その結果としズマ装置固有の実験環境の影響を踏まえたグローバルなて，一般的な構造材料の破壊靭性の低下（脆化）が高温

理解が必要であり，JT-60SA や ITER 等の大型装置を用いの影響（熱時効）による微細組織変化や表面からの環境た研究の進展が望まれます．

影響による損傷（水素の侵入，酸化など）によって引き30

Project Review

3.5 Structural Materials and Plasma Facing Materials	

R. Kasada

起こされるのに対して，照射による破壊靭性の低下（照の評価を進める中で調べられることが多かったようです．

射脆化）は，材料内部に生じる照射欠陥の形成等による材料試験炉等の研究用原子炉を用いた中性子照射実験が内部組織変化によって機械的性質が変化することによっ行われ，温度制御照射法［34］，照射下引上げ法［35，36］のて引き起こされます．

開発等で東北大学金属材料研究所大洗センターの共同利

商用軽水炉における中性子照射を受ける構造材料であ用が活用され現在も続いています．また，日米科学技術協る原子炉圧力容器鋼は核燃料物質等の環境放出を防ぐた力事業において米国の核融合中性子源 RTNS-II や FFTF/

めの重要な安全バウンダリーとなっており，照射脆化機

MOTA，HFIR 等の研究用原子炉を用いた国際共同研究

構の解明と理解の進展が重要な研究課題として認識されが照射効果の解明のみならず，米国派遣を通しての人材ています．核融合炉構造材料と比べると中性子のエネル

育成においても多大な貢献をしています［37］．また，特ギーおよび照射量が低く，使用温度も比較的低温であるに米国炉の利用においては，核変換ヘリウム原子を照射ため，照射脆化現象を除いては照射効果が安全性や機能下で材料中に生成するために，予め鉄鋼材料中に同位体性に直接影響を及ぼすとは考えられていません．しかし，濃縮したニッケルやホウ素を添加する同位体調整法［38］，比較的高温において重照射を受ける高速炉材料において照射中の材料に三重水素を吸収させるダイナミックトリ

ボイド・スウェリング現象が発見されると［26］，核融合

チウムトリック法［39］，試料外部からヘリウム注入速度

炉材料開発にも大きな影響を与えました．ボイド・スウェ

を核融合中性子環境に合わせるように注入する ISHI（Inリング現象を理解するための転位バイアス［27］や生成バ

Situ Helium Injection）法［40］などが開発されました．

イアス［28］のモデルが提示されるとともに，ボイド・ス

これらの照射研究において用いられる強度試験片は，ウェリングを抑制するための第二相分散などの影響や，

通常の JIS，ASTM，ISO 等の規格に定められている少な

ボイド・スウェリングを促進する核変換ヘリウムの影響

くともセンチメートルサイズの比較的大きな試験片よりについて多くの研究が為されました．

も小型な試験片を必要とします．原子炉内（あるいは後核融合炉材料の照射効果に関する研究は，重照射実験

述する強力中性子源）の中性子照射場の線量率の均一性を可能とする核融合中性子源が存在しないこともあり，や照射温度の均一性，照射後試験における放射化物の使素過程からボトムアップ的に積み上げて理解しようとす

用上の制約などから，より微小なミリメートルサイズのる方針が取られました．格子欠陥に関わる固体物理分野

強度試験片を活用する微小試験片技術（Small Specimenの研究者を中心にして基礎固めから入ったという見方もTesting Technology; SSTT）が推進され［41］，他分野へできます．格子欠陥は半導体の機能を発現する上で必須の波及効果も見られます．

ですし，金属の強度特性の理解には格子欠陥の理論が重金属材料の機械的性質の理解には，格子欠陥分野で発展要であると認識されていました．1960-70 年代には，金属した転位論が不可欠です．転位の概念は，流体力学にお中の点欠陥に関する研究が盛んであり，急冷や照射によっいてその名を知られる G.I. Taylor や，Orowan，Polanyiて導入された空孔や格子間原子の移動，合体，消滅過程

によって 1934 年に導入されました．その後，固体物理分とそれらに対する不純物原子の影響に関する研究が世界

野の著名な研究者達（Mott や Shockley などのノーベル物

的にも多く報告され，特に空孔の移動開始温度について

理学賞受賞者も含まれる）によって急速に理論的枠組み

は激論が交わされていました．こういった格子欠陥分野が構築されました．一方，転位論を実際の材料の強化機の潮流の中で日本の研究者が得意としたのは，国内メー構の解明に用いるには限界があることも認識されていまカーが開発した超高圧電子顕微鏡を駆使して照射損傷のす．核融合炉構造材料等の機械的性質に及ぼす照射効果

素過程を理解しようとする研究でした．超高圧電子顕微の理解においても，転位論に関する研究者が多く貢献し，鏡は MeV 級電子ビームによって照射欠陥を導入しつつ照照射欠陥による強度特性の変化のモデルの根本は転位論

射損傷組織発達のその場観察が可能になります．点欠陥となっています．また，転位が電子顕微鏡によって直接反応速度論をベースに，純金属や単純な合金における点観察されることも相まって，照射下での微細組織発達の欠陥の形成エネルギーや移動エネルギーを評価する基礎理解も著しく進展しました．しかし，転位論はマクロな研究が行われました［29］．

強度特性を微視的な原子列の乱れである転位という概念

計算機シミュレーションによって，カスケード損傷をで説明しようとしていますが，マクロな塑性変形とミク模擬する研究も広く行われ，高エネルギーのカスケード

ロな微細組織の間を繋ぐメソスケールの塑性現象をうま損傷がサブカスケードに分岐すること［30］，カスケード

く説明できていません．例えば，照射材においてしばし損傷から点欠陥集合体が直接形成すること，一次元運動

ば見られる転位チャネリングの形成と延性低下の関係にによって点欠陥シンクに向かって高速移動し消滅するこ

ついては更なる研究が求められます［42］．

とが示され［31］，その場観察実験によって確認されまし

核融合中性子照射環境における重照射と核変換ガス原

た［32，33］．

子の影響を模擬するために，イオン加速器を用いた照射

照射損傷の素過程の理解を進める一方で，照射脆化を場の活用が進められました．HIT（東大），TIARA（QST），

始めとする構造材料の機械的性質に及ぼす照射効果を明DuET（京大）［43］等では複数の重イオン加速器を用いらかにしようとする研究も進められました．こちらは前て照射損傷とヘリウムイオンを同時に導入し，核融合中節で述べた冶金系研究者が主導して自らの開発した材料

性子条件を模擬した上で照射効果を理解しようとする研31

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

究が行われています．また，北大，東大，島根大等におのような放射性物質を内包するブランケット構造材料のけるイオン加速器と電子顕微鏡を接続した研究設備など

照射脆化では，公衆リスクに与える影響が異なることがを活用した照射損傷過程のその場観察による研究も行わ想定されるため，構造健全性と劣化予測に求められる信れています［44］．これらの研究手法は海外でも重要性が頼性の程度や方法論そのものも異なるかもしれません．

認められており，欧米では加速器施設の新設と更新も続確実に言えることは，核融合炉構造材料においては核融けられています．イオン照射を受けた材料中の損傷領域合炉の実現無くして照射効果のビッグデータを用意する

は重イオンビームで数 µm，軽イオンビームで数 10µm 程ことが困難であるということです．核融合炉構造材料の度に留まるため，超微小試験技術（Ultra-Small Testing

照射効果研究は，強力中性子源と代替照射手段を組み合Technology; USTT）の活用が進められています．ナノイ

わせて包括的かつ合理的な方法論を確立する必要がある

ンデンテーション法や集束イオンビーム加工観察装置をと言えます．このために現在主流となっているマルチス

用いた微細加工試料を用いた試験法によって，これまで

ケールモデリングの方法論において，モデルの中心となっ見ることができていなかった局所領域の変形挙動に及ぼている高エネルギー粒子線照射下での微細組織発達モデ

す照射影響の解明も進みつつあります［45］．

ルについても課題があります．従来のモデルでは，照射

イオン加速器や原子炉によって核融合中性子照射環境

欠陥集合体の均一核形成のみを想定している例が多く，を模擬することには限界があることは広く認識されてい転位や粒界，析出物界面での不均一核形成を考慮した例て，加速器型強力中性子源の実現が必要とされています．

は限定的です．実用材料における微細組織と照射による1980 年代に米国中心で検討が始まった FMIT，1990 年代

変化は空間的に不均一であることは明白ですが，このよ

前半に原研中心に検討された ESNIT を受け継いで，1995

うなメソスケールでの照射損傷組織の空間分布の定量的年から OECD-IEA の枠組みで日欧米露が参加して IFMIF

理解は未だ困難です．近年の微細組織観察技術の発展と計画が進められました．その後，日欧協力による IFMIF-

マテリアルズインフォマティクスを組み合わせることに

EVEDA の中で要素技術研究開発が進められました［46］．

よって効率的に照射損傷組織の定量評価を行うことが期

これらの知見は，現在我が国で独自に検討が進められて待されます．一方，核融合炉環境でも想定される高流束

いる A-FNS 計画や欧州の IFMIF-DONES 計画に活かされ照射下では，純金属のような単純な材料系においてさえています［47］．

照射欠陥集合体形成の空間的時間的「ゆらぎ」が存在していることは早くから示唆されています．核融合炉構造

3．5．3

今後の課題と展望

材料のように重照射を受ける材料は，非定常あるいは定上述したように，固体材料の照射効果の理解に向けた

常下の照射欠陥の流れの中の開放系であり，結果として研究は，照射損傷によって形成する点欠陥反応の素過程残存する照射欠陥集合体のメソスケールでの空間的配置

から積み上げて，微細組織と材料特性の関係に基づきマと時間的配置は，照射や材料に内在する様々なゆらぎにクロな現象の時間発展を理解しようとするボトムアップ

強く影響される可能性もあります．実際に，ボイド格子

的な方法論を展開してきました．例えばカスケード損傷

や転位ループラフトのような規則的なメソスケール構造の構造の理解など，ある特定のスケール内における事象が現れることは古くから知られているものの，その形成については計算機性能の向上とともに理解が進んでいる要因が明らかになったとは言えません．また，このようと言えます．しかし，照射損傷の素過程の実時間スケーな規則構造が得られ得ることは，高流束照射場の新たなルは極めて短く，実験的に測定可能な事象やパラメータ

活用法や物性の理解に貢献できる可能性も秘めています．

はごく僅かです．また，その場実験によって直接的に観加速器を用いたイオン照射法は，照射場制御技術や照射察可能な事象は，実材料と実環境よりも遥かに単純化さ後試験法において我が国が得意とする領域であり，核融れた条件のみが対象となっています．材料劣化という観合炉構造材料の研究開発のみならず，材料工学分野にお点では，実時間は長ければ数十年というスケールになる

いても新たな展開が期待できます．

ため，模擬実験環境との間にある損傷速度効果は無視し核融合炉材料の実用化に向けた大きな課題となりうる

得ないという大きな課題もあります．このような実験的

疲労や高温クリープ挙動のような複雑な機械的性質に及な観察・観測の難しさについては，マルチスケールモデ

ぼす照射効果についてのデータベースは不足しています．

リングと呼ばれる異なる計算科学的手法の組み合わせに

更に，軽水炉内構造物に関して報告されている照射と腐よって補完しようという努力もなされてきましたが，現食環境の重畳によって引き起こされる照射誘起応力腐食

実の材料特性変化を予測できる範囲と信頼性は限られて割れ（IASCC）についても，ブランケット等で使用するいるのが実情です．さらに言えば，このようなボトムアッ

材料と冷却材の組み合わせによっては課題となる可能性

プ的な方法論で積み上げた場合，不確かさも大きく積みがあります．核融合炉構造材料に想定される様々な経年上がるため，安全性を確保することが最も重要な機能で劣化事象や突発事象について，データベースの取得を進ある構造材料の劣化の実用的な予測に用いるためには，

めるとともに，合理的な構造設計に貢献できるように学

ビッグデータからの内挿に頼らざるを得ません．商用軽術的理解を一層深化させる必要があります．

水炉における核燃料物質を内包する原子炉圧力容器鋼の照射脆化と，核融合炉における三重水素や放射化ダスト
32

Project Review

3.5 Structural Materials and Plasma Facing Materials	

R. Kasada［26］C. Cawthorne and E. Fulton, Nature 216, 575–576(1967).
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［22］H. Kurishita et al., J. Nucl. Mater. 367-370, 1453
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［23］Y. Ueda et al., Nucl. Fusion 57, 092006 (2017).
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［25］S. Kajita et al., J. App. Phys. 132, 181101 (2022).

33

Vol.100, No.1

January 2024

図1

構造材料・プラズマ対向材料サイエンスチャート．

Journal of Plasma and Fusion Research

34

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 35-37

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．6

超伝導材料

3.6 Superconducting Materials
伊藤悟

ITO Satoshi
東北大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, superconducting materials

超伝導マグネットは，発電所成立要件として磁場閉じ（超伝導現象を微視的に説明する理論）が発見・提唱され，込め核融合炉に必須のものです．超伝導マグネットに直超伝導現象が解明されていきました．超伝導体の線材化

接関係する低温工学や応用超伝導の研究分野の研究者・研究や超伝導コイル応用研究が動き始めたのは 1950～60

技術者の多くは低温工学・超電導学会，応用物理学会，年代の話です［3］．この頃，Nb-Ti，Nb3Sn，Nb3Al など，

電気学会などに所属しており，応用物理学会のアカデミッ

現在の低温超伝導体（Low-temperature superconductor:

クロードマップ［1］の「超伝導技術」、文部科学省 科学技LTS）に分類されるものが発見され，線材化研究・開発

術週間 一家に 1 枚［2］の「磁場と超伝導」（低温工学・超が 進 め ら れ ま し た（Nb-Ti は 合 金 の 超 伝 導 体，Nb3Sn，電導学会協力）など，超伝導を中心にしたインフォグラ

Nb3Al は A15 型と呼ばれる金属間化合物の超伝導体です）．

フィックスは既にまとめられています．超伝導材料は現

我が国の線材化研究で特筆すべきことは 1965 年の太刀川代社会を支える基盤材料の 1 つであり，プラズマ・核融

恭治らによる Nb3Sn のブロンズ法の発明［4］です．超伝導

合分野は，超伝導技術の応用先の 1 つに過ぎません．し

体の原材料で構成される線材をコイル化してから熱処理

かしながら，黎明期における超伝導線材開発はプラズマをして超伝導体にするワインドアンドリアクト法を採用

物理研究・核融合炉開発を目的に行われ，大量の超伝導することで，脆い金属間化合物である Nb3Sn でも，超伝線材の提供，およびその仕様を満たすための線材開発が，導コイルを作ることができるようになりました．

超伝導技術を発展させていきました．図 1 に示す「核融1980 年代に入ると核融合炉開発を目的にした超伝導コ合関連材料，超伝導材料」のインフォグラフィックスでは，

イルの国際 R&D（LCT 計画）が開始されました［5］．そ1900 年代初頭の超伝導体の発見から現在に至る線材開発

して我が国のプラズマ・核融合分野の研究にも超伝導コの流れとプラズマ・核融合分野との関係性や，そこからイルが実装されるようになります．まず世界初の Nb3Snの各波及効果の可視化を試みました．

超伝導総合装置として，九州大学の TRIAM-1M が整備

超伝導体の歴史は，1911 年にオランダのヘイケ・カメされました［6］．1990 年代に入ると，全コイルを超伝導

リング・オンネスが，水銀の電気抵抗が 4.2 K で消失する化（Nb-Ti を採用）した LHD が核融合科学研究所に建設ことを発見したことに始まります．その後，物理研究としされました．LHD の垂直磁場コイルには，1980 年代かて，1930 年代～1950 年代にかけてマイスナー効果（完全ら R&D が始まったケーブルインコンジット導体（Cable-

反磁性），ロンドン方程式（マイスナー効果に対して現象

In-Conduit Conductor: CICC）が採用されています．並

論的な解釈を与える方程式），第二種超伝導体（下部臨界

行して，ITER 工学設計活動において CS モデルコイルに磁場と上部臨界磁場の 2 つの臨界磁場を持つ超伝導体で，Nb3Sn の CICC が 採 用 さ れ， そ の 後，CICC は ITER や後に述べる実用的な超伝導体は全てこれに相当する），GL

JT-60SA にも適用されるなど，世界の核融合実験装置用

理論（超伝導を説明する現象論で第一種超伝導体，第二導体の標準仕様になっています［7］．海外でも超伝導コイ

種超伝導体の区別を与えることができる理論），BCS 理論

ルを用いたプラズマ物理・核融合実験装置（T-15, Tore-

Department of Quantum Science and Energy Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai, MIYAGI 9808579, Japan
author’s e-mail: satoshi.ito.e3@tohoku.ac.jp

35Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024

Supra，EAST，KSTAR，SST-1, W7-X など）が多く整備や超伝導ケーブルとして利用することもでき，今後の水され，また，原型炉建設に向け，現在も線材の高強度化，

素社会に向けて重要な素材となるでしょう．核融合炉と高臨界電流密度化（高 JC 化）の研究が進められています．

水素社会の連携は，現在積極的に検討されており，これ一方，超伝導体の発見はまだまだ続きます．1986 年にらの超伝導材料もプラズマ・核融合分野に多く提供されることになる可能性があります．

はドイツのヨハネス・ゲオルク・ベドノルツとカール・アレクサンダー・ミュラーにより，銅酸化物超伝導体がプラズマの磁場閉じ込め用の超伝導コイルにとどまら発見されました［8］．その後，臨界温度（超伝導状態からず，超伝導技術がプラズマ・核融合研究にブレイクスルー

常伝導状態に転移する温度）が液体窒素温度（77 K）ををもたらす可能性はまだまだあるかもしれません．その超える銅酸化物超伝導体が次々と発見され，これらは高可能性を追求することは，低温工学・応用超伝導分野で

温 超 伝 導 体（High-temperature superconductor: HTS）の超伝導材料開発を促進させ，それは超伝導材料を利用と呼ばれるようになりました．HTS のうち線材化がなさする多くの応用を生み出し，大きな波及効果をもたらすれているのは，Y-123，Bi-2212，Bi-2223 といった材料ことでしょう．

です．中でも Bi 系銅酸化物超伝導体（Bi-2212，Bi-2223）は，我が国において，前田弘らが発見したものです［9］
．HTS

参考文献

線材は LTS 線材に比べるとまだまだ実績が不足してはい［ 1 ］応用物理学会アカデミックロードマップ：https://www.
jsap.or.jp/archives/jsap75/academic_roadmap.html（2022年 7 月29日閲覧）．
［ 2 ］文部科学省 科学技術週間 一家に 1 枚：https://www.
mext.go.jp/stw/series.html（2022年 7 月29日閲覧）．
［ 3 ］太刀川恭治：低温工学 44, 456 (2009).
［ 4 ］太刀川恭治，福田佐登志：日本金属学会誌 29, 1125
(1965).
［ 5 ］島本 進，安河内昴：低温工学 19, 73 (1984).
［ 6 ］伊藤智之 他：日立評論 66, 41 (1984).
［ 7 ］柳 長門，伊藤 悟，寺﨑義朗：低温工学 54, 10 (2019).
［ 8 ］J.G. Bednorz and K.A. Müller, Z. Phys. B - Condensed
Matter. 64, 189 (1986).
［ 9 ］H. Maeda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 27, L209 (1988).
［10］J. Nagamatsu et al., Nature 410, 63 (2001).
［11］Y. Kamihara et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3296
(2008).

ますが，EAST，W7-X，JT-60SA，ITER の電流リードに既に採用されており，プラズマ・核融合分野にも既に貢献している素材です．我が国では，東京大学のプラズマ実験装置 Mini-RT，RT-1 に HTS コイルが初めて採用されました．各国における核融合原型炉設計においても HTS
コイルオプションが検討され，2010 年代になってから，各国で設立された核融合スタートアップでは，特に Y-123
系 HTS を用いた超伝導コイルを採用した設計が積極的に取り入れられています［7］．
2000 年代に入ると，LTS と HTS の中間の臨界温度を有する新しい超伝導体が我が国で発見されました．秋光純
らによる MgB2 の発見［10］，細野秀雄らによる Fe 系超伝導体の発見［11］です．いずれも現在，線材化研究・開発
が世界規模で進められている材料です．これらの材料はHTS と同様に，液体水素で冷却することで超伝導コイル

36

S. Ito

超伝導材料サイエンスチャート．

3.6 Superconducting Materials	

図1Project Review

37

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 38-40

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．7

レーザー材料

3.7 Laser Materials
上 原 日 和，安 原

亮

UEHARA Hiyori and YASUHARA Ryo
核融合科学研究所（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, laser materials

メイマンが 1960 年 5 月に，ルビーレーザーの発振に成ザー研究の第一人者である霜田先生の文献［1］を参考にし功して以来，多くの分野でレーザー光源の利用が進んでてください．レーザー黎明期の迫力ある研究競争の一端います．核融合分野も同様に，計測，プラズマ駆動，材を感じていただけると思います．核融合研究者にもなじ料加工と幅広い用途でレーザーが活躍しています．レー

みの深い Q スイッチ発振，モードロック，チャープパル

ザー光源の特性は，エネルギーを与えて基底状態の粒子

ス増幅（CPA）といった技術も 20 世紀中には出そろってより励起状態の粒子が多くなる反転分布を形成するレー

います．俯瞰してみると，レーザーの発展は，新しいレー

ザー材料（媒質）の性質に強く依存します．ここでは，

ザー材料と光学技術が続々と生まれてくることで，大き特に核融合分野と関連が深いレーザー材料をマップとしく展開してきていることがわかります．

てまとめました．

3．7．1

3．7．2

レーザー材料マップの説明

固体レーザー材料

固体レーザー材料は，初めてのレーザー発振媒質がル

レーザー材料の歴史は，そのままレーザー光源開発のビー（少量の Cr が添加された Al2O3）であったこともあ

歴史でもあります．よく知られているように，1960 年のり，活発に材料探索が行われました．核融合分野では，メイマンのルビーレーザー発振は学術的な評価は十分でネオジム添加ヤグ（Nd:YAG）結晶，ネオジム添加ガラスはなかったものの（フィジカルレビューレター誌から拒（Nd:glass）材料，そして近年ではイッテルビウム添加ヤ

絶され，Nature から報告），科学界に与えた影響は絶大

グセラミック（Yb:YAG ceramics）材料が重要な材料とで，その後のレーザー開発競争のきっかけとなりました．

して挙げられます．Nd:YAG 結晶は最も一般的に利用さ

図 1 のマップは，横軸を年代にし，主要なレーザー材料を，れている固体レーザー材料です．核融合分野ではプラズ報告された年とともに表示しています．読者の理解を助

マ電子温度・密度計測用の光源，チタンサファイアレー

けるために，レーザー材料をおおよそ 3 つの形態，固体，

ザーの励起光源，材料加工用光源など広範な領域で使用

ガス，半導体に分類して帯状に表示しています（図の上されています．YAG 結晶の持つ良好な熱特性や，Nd をから下の順）．半導体は固体材料ではありますが，特性上レーザー活性元素としたときのレーザー分光特性の良さの違いから別に分類しました．最下部の帯には，関連すなどが評価されて今日の普及に至っています．Nd:glass

る主要なレーザー光学技術の開発項目と開発年を示しま

レーザー媒質は，大阪大学の激光や米国 NIF（National

した．

Ignition Facikity）のレーザー媒質に採用されているレー

図 1 を見ると 1960 年のレーザー最初の発振の直後に，

ザー核融合ドライバーのスタンダードです．レーザー発核融合研究にとって非常に重要な Nd 添加ガラスレーザー

振のしやすさを表す誘導放出断面積の大きさ（小さすぎも含めて，多くのレーザーが実現していることがわかりるとうまくレーザー動作が行われない，大きすぎると寄ます．当時の激しい開発競争について，例えば日本のレー

生発振という望ましくない動作が起こる），非線形光学効

National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japan

38

corresponding author’s e-mail: uehara.hiyori@nifs.ac.jpⒸ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

3.7 Laser Materials	

H. Uehara and R. Yasuhara

果の起こりにくさを示す非線形屈折率などがレーザー核

羅されています．近年の半導体技術の進歩に加え，アレ融合実験に適しています．ただし，ガラス材料であるた

イ化・スタック化技術によってキロワットを超える半導めに熱特性に課題があります．Yb:YAG セラミック材料

体レーザーが上市されるようになりました．それに伴い，は，近年急速に研究が進展したレーザー材料の一つです．

従来のフラッシュランプ励起に代わって半導体レーザー

日本の研究者たちがセラミック材料中の散乱源を低減すを励起源とした Nd:YAG レーザーや Yb:YAG レーザーがる技術開発に成功し，高品質な YAG セラミック材料が実普及しており，次世代の核融合炉用ドライバーとしてさ現しました．単結晶成長は，育成条件が十分に最適化さらなる高出力化の研究が国内外で盛んに進められていまれていない場合，結晶中に歪や不純物，不均一性などがす．

発生して大型化が難しいという問題があります．セラミッ

3．7．4

クは小さな結晶粒の集合体であるために本質的に結晶成

光学材料

長に伴う歪を回避することができ，大型バルク材料が得

図中に記載したレーザー利得媒質のほか，様々な光学材

やすいという特徴があります．世界各国で YAG セラミッ料の誕生や品質向上が，これまでレーザー装置の発展を支クに Yb を添加したレーザー出力 100 J 級のレーザー装置

えてきました．特に，リン酸二水素カリウム（KDP），リ開発が行われています．

ン酸二重水素カリウム（DKDP），ホウ酸バリウム（BBO），

3．7．3

ン酸リン酸カリウム（KTP）などに代表される非線形光

ホウ酸リチウム（LBO），ニオブ酸リチウム（LN），チタ

その他の材料続いて，図の上から 2 番目のガスレーザーの帯に目に学結晶は，高調波発生などの波長変換に用いられるほか，移します．固体レーザーでは発振の難しい紫外～可視や，光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）などの赤外波長域のレーザーが揃っています．ここに記載した

次世代の高出力化技術に欠かせない材料です．そのほか

ガスレーザーは，利得媒質にガス分子（原子）を用いたにも，多段増幅機構を有するレーザーには光アイソレー

放電励起や電子ビーム励起のものが主となっています．

ターの導入が不可欠ですが，大出力レーザーシステムに分子の密度が低いため，大出力は得にくいですが，放電も適用可能な高品質かつ大口径な磁気光学材料が開発さ手法やガス圧などを最適化することで高出力化も可能でれています．

す．ガスレーザーのスペクトル線幅は一般的な固体レーより詳しいレーザー開発の歴史や，レーザー動作原理，

ザーよりもはるかに狭く，可干渉性に優れているのが特徴

レーザー装置構成については，本誌講座「固体レーザー

です．ルビーレーザーの実証と同年に開発された He-Neの基礎」にて詳細に纏めてられています［4］．ぜひご覧く

レーザーは，低出力ながら波長安定性や視認性が高く，ださい．

コヒーレンスに優れているため，干渉計測，レーザー測3．7．5

長，光計測システムにおけるアライメント用マーカーとして重宝されています．ArF や KrF に代表される励起二まとめ

本節では，核融合研究に関連するレーザー材料につい量体（excimer）を媒質とするエキシマレーザーは，波長て紹介しました．本文中にも紹介しましたが，レーザー

150 nm ～350 nm の深紫外領域において高効率なパルス発材料のイノベーションが，レーザー光源のイノベーショ

振動作が可能です．特に KrF エキシマレーザーを用いたンとリンクして，レーザーの高性能化が行われてきまし慣性核融合炉用ドライバーの開発が 1980 年代より進めらた．磁場閉じ込め方式も含めた核融合研究全体でレーザーれており，それに伴って高出力化・高繰り返し化など様々は重要な要素技術となっています．レーザー材料研究がな技術が生まれました［2］．一方，CO2 レーザーの炉用ドさらに進展して，核融合分野に大きなインパクトを与えライバー開発も 1970～1980 年代に行われており［3］，現在る新材料の出現を大いに期待するところです．

では，CO2 レーザーをプローブとしたレーザー干渉計測

参考文献

が磁場閉じ込めプラズマ装置などに適用されています．
半導体レーザーは，1962 年に低温下で GaAs の pn 接合［ 1 ］霜田光一 :「レーザーがもたらしたもの」応用物理 79,
487 (2010).
［ 2 ］レーザー学会：レーザーハンドブック第 2 版 I 編（オーム社，2005）．
［ 3 ］山中千代衛：レーザー研究 38, 29 (2010).
［ 4 ］上原日和：プラズマ・核融合学会誌 97, 289 (2021).

を用いて近赤外レーザーのパルス動作が観測されたのが最初の発振実証です．その後，1970 年に室温連続発振が実証され，1979 年に面発光レーザーが，1994 年に量子カ
スケードレーザーが誕生しており，半導体レーザーの発振波長は現在，紫外から中赤外域までをほぼ連続的に網39

Vol.100, No.1

January 2024

図1

レーザー材料マップ．

Journal of Plasma and Fusion Research40

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 41-43

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

3 ．歴史と広がり
3. History and Diversity

3．8

炉工学エンジニアリングマップ

3.8 Fusion Reactor Engineering Map
後 藤 拓 也＊GOTO Takuya
核融合科学研究所（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity, fusion reactor engineering

前節までにまとめられた各分野のサイエンスチャート

解を恐れずに言えば理想追求に基づいており，必ずしもインフォグラフィックスは，各分野における研究や発見

時系列で一方向に進展した形や，多方面に広がってきたの歴史とその展開を時系列にフローチャート形式で図示

形で描き表されるものではありません．核融合研究装置したものです．一方，核融合炉工学は解像度の異なる多そのものの歴史は時系列で記述できるものの，既存の核数の項目を含んでおり，さらに核融合炉という明確な目

融合研究装置だけではブランケット等まだ実装されてい的・対象に動機付けられて発展してきたため，その歴史ない技術がカバーできませんし，研究者の系譜は資料とと展開の全容を 1 枚のインフォグラフィックスにわかりやしては価値があり興味深いものの，やはりそれだけで核すくまとめることは難しいと判断しました．そこで核融融合炉工学研究の歴史と広がりを描き表すことは難しい

合炉工学のインフォグラフィックスについては時系列フとの結論に至りました（なお核融合炉設計の歴史についローチャートではなく，研究の広がりをイメージできるてはウィスコンシン大学・Fusion Technology Institute

ものとしてまとめることとし，それを炉工学エンジニアのサイト［1］や論文［2］に興味深い図が掲載されているの

リングマップと命名しました．ここではマップの着想にで，関心のある方はそれらをご参照ください）．
そこで，核融合炉工学のインフォグラフィックスにつ至った経緯と，その位置付けについて解説します．

いては , 歴史ではなく研究の広がりをイメージできる形で

3．8．1

 工学エンジニアリングマップの着想の炉
経緯

まとめることにしました．この場合も描画のやり方には核融合炉工学は，プラズマ・核融合学を構成する 4 分野

融合炉工学の性質を考慮すると，やはり核融合炉の構成の中では少し特殊な立ち位置にあります．核融合炉工学

システムとそれに関連する研究課題を表現することが最は，核融合炉やその構成システムという明確な対象におも分かりやすいと考え，その基本方針に沿って原案を作

いて，核融合炉設計を通じて顕在化された各構成要素の成し，専門委員会の議論を経て改善を加えていきました．

設計仕様に対し，その設計課題を解決することを目的と最終的にまとめられた炉工学エンジニアリングマップをして展開してきました．このため他のインフォグラフィッ

図 1 に示します．

色々なものが考えられますが，明確な目的研究である核クスと異なり，学術テーマの時系列発展で分野全体をわ

3．8．2

かりやすく表現することは困難であるという問題に直面しました．歴史という観点では , 学術テーマではなく，核 工学エンジニアリングマップの概要と炉位置付け

融合炉設計や核融合研究用の機器・装置の歴史，あるい

前述の通り，核融合炉工学は開発途上にある核融合炉

は研究者の系譜などの形でまとめるという発想もありまの成立性の実証と炉を構成する要素技術の課題解決を目した．他方で，核融合炉設計や核融合炉工学研究はその指した学問領域となります．その研究対象は , 核融合炉の時々に提案された核融合炉の実現に向けた課題解決，誤環境や条件，時には特定の核融合炉の設計に特化したも＊現在の所属：Helical Fusion Co., Ltd., TOKYO 104-0061, Japanauthor’s e-mail: takuya.goto@helicalfusion.com

41Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.1

January 2024のになっています．核融合炉の環境・条件は , 他に類を見れていきました．そこで，インフォグラフィックスを 2 つない特殊・複合・極限的なものであり，それ故核融合炉の焦点を持った形に描き直しました．最終的に提案したの課題は核融合炉工学研究者が解決するほかないというインフォグラフィックスでは，広がり続けるテーマであある種の自己暗示があったように思います．そのため , プ

る高効率化・高性能化を右に，収斂していくテーマであラズマ・核融合学の 4 分野の中でも，核融合炉工学は特にる社会受容性・システム安全を左に配置しています．こ

他分野との関わりが控えめであった側面があるように感れにより，各システムに特化した基礎・汎用の理学・工じられ，核融合炉工学分野外との共同研究も，どちらか学から，情報学，社会科学にわたる広範な分野と関連しというと特定の課題解決に貢献する，というスタンスのている核融合炉工学の特性を端的に表現したマッピング

ものが多かったのではないかと思われます．一方で，課が完成しました．特に , 社会経済学，科学技術社会論と題解決のための目的研究ではあっても，その背景にはメいった社会科学分野との関連はプラズマ・核融合学の 4 分

カニズムの解明などのための視点は必ず存在し，そこま

野の中でも特徴的な部分であると言えます．

で解像度を高めれば自ずと他の分野との接点が見えてく

炉工学エンジニアリングマップは，関連学問分野の研るはずです．そこで，炉工学エンジニアリングマップは，究者の方にとっては自身の研究分野と核融合炉工学の接まずは核融合炉の構成システムをリストアップし，それ点を見出すことや核融合炉システムとの距離感を把握す

らのシステムへの要求とその要求に関連した研究課題，

るためのツールとして，核融合炉工学の各分野の研究者

そしてその研究課題の背景にある学問分野を順につなげにとっては自身の研究の核融合炉システムとしての立ちていく描像としました．また，核融合炉の構成システムは，

位置や関連学問分野との関係性を把握するツールとして，いずれも必要不可欠であり且つ，互いに独立ではなく強双方向性を持って有効に活用いただけると期待していま

く関連し合っているため，構成システムは関連性の強いす．また関連学問分野との連携の強化としては，関連学ものほど距離が近くなるように円形にマッピングし，上問分野の知見を核融合炉の課題解決に応用するという述した要求・研究課題・関連学問分野はその周りに同心

マップ上で内側向きの動きだけではなく，核融合炉の特円状に配置することとしました．

殊性を関連学問分野の発展や新たな研究シーズの開拓に

当初案では , 核融合炉工学の究極目的は , 統合システム

つなげるような，外側向きの動きもより活発にしていくへの要求としての核融合炉の高性能化・高効率化である

ことが望まれます．

と捉え，その 1 つの焦点を中心としたインフォグラフィッ

核融合炉は未だ開発途上であり，炉工学エンジニアリ

クスを提案していました．この「核融合炉の高性能化・

ングマップも今回提案したものが最終形ではないと考え高効率化」は，核融合炉の社会実装が実現した後にも，ています．ぜひ読者の皆様からもさらなる発展に向けたより良い核融合炉，すなわちより高い性能指標を求め，

ご提案・ご提言をいただければ幸いです．

時には新奇の発想も取り入れて広がり続けるテーマです．
一方で，核融合炉工学の目的には，社会受容性の向上や参考文献

システム安全の確保など，実用化に向けて一定の方向性［ 1 ］https://fti.neep.wisc.edu/fti.neep.wisc.edu/studies.
html［ 2 ］L.A. El-Guebaly, Energies 3, 1067 (2010).

に収斂しつつ発展し続けていく要素も含まれるのではな
いか，という認識が専門委員会での議論を通じて共有さ42

T. Goto

炉工学エンジニアリングマップ．

3.8 Fusion Reactor Engineering Map	

図1

Project Review

43

J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.1 (2024) 44-46

プロジェクトレビュー 総説 プラズマ・核融合サイエンスチャート

4 ．核融合プラズマのサイエンスその広がり
4. Fusion Plasma Science and Diversity
仲 田 資 季，森芳 孝1）

NAKATA Motoki and MORI Yoshitaka 1 ）核融合科学研究所 , 1 ）光産業創成大学院大学（原稿受付日：2023年11月 2 日）

Keywords:
plasma, fusion, science chart, history, diversity

to be addressed by the European Solar Telescope-」［2］

新たなエネルギー源の実現という目的を持って創始された核融合プラズマの研究は，その挑戦の過程で新たなや「⽇本物理学会創⽴70周年記念企画・物理学70の不思議」

知⾒や技術を積み重ねてきました．目的研究「エネルギー［3］を参考にしました．記事は，見出し（分野外・分野内源の実現」という幹から多くの枝葉を伸ばして「プラズ他領域向け），サブタイトル（分野内向け），カテゴリー，

マ物理・核融合科学」という広大な学術領域を形成する

めざすもの（output），波及（outcome），リード文，専門

進化を遂げています．

的な内容も含む概略文，参考文献で構成されます．図 2 に，「核融合炉の実現」に加えて，「難問から諸科学・社会

記事の例を示します．
専⾨家が関連研究を概観する場合には「リード⽂」「概へ拡⼤する研究」を含んだ色彩豊かな核融合プラズマのサイエンスとその広がりを感じ取っていただくために，略⽂」に加えて，「カテゴリー」や「めざすもの（output）
・

2021 年 8 月に，核融合プラズマに関する学術課題集を取

波及（outcome）」で分類・整理し直してみることも有益

りまとめました［1］．学術課題集では，核融合プラズマのでしょう．一方，専⾨外の研究者が全体像の概観を把握

学術（サイエンスと技術）課題の魅力・難しさ・未解明な謎・

しようとする場合には，「⾒出し」と「リード⽂」に特化

将来の課題・新展開などに焦点を置き，52 の記事をまとして読み進めることを推奨します．学⽣さんに向けた参めています．それぞれの記事は，図 1 に示す 6 つのカテ
ゴリーに分類されています．
それぞれの記事は，文量を A4 1 ページにとどめ，分野
外・分野内他領域へ向けた説明を心がけました．記事の様式については「The Science of EST -Scientific challenges

図1

学術課題集のカテゴリー．

図2

記事の例．

National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japancorresponding author’s e-mail: nakata motoki@nifs.ac.jp

44Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

4. Fusion Plasma Science and Diversity	

考資料としては，興味に応じて⽬次の⼤区分（“躍動するM. Nakata and Y. Mori

理解・制御する
28．核融合プラズマと壁の間で数百 MW の熱を散らす

⾼温プラズマの世界”など）を活⽤することで最新の研究動向や挑戦的な課題を把握することができます．この学術課題集が，様々な⽤途や場面で柔軟に活⽤されるこプラズマを⽣み出し加熱するとを期待しています．

29．波で核融合炉⼼プラズマを⽣成できるか？

記事は．核融合科学研究所のホームページに掲載され30．負イオンの物理が拓く⾼効率粒⼦ビーム技術ています（図 3 QR コード）．

31．繰り返しのできる⾼エネルギーレーザーの実現

以下に，この学術課題集の全貌をまとめましたので，

32．核融合プラズマを荷電粒⼦で⾼効率に加熱する

ご参照ください．

33．⾮ 線形場が結ぶ⼤強度ビーム物理と⾮中性プラズマ
物理の共通性

学術課題リスト
躍動する⾼温プラズマの世界“燃える”プラズマ

1 ．核燃焼プラズマの⾃⼰組織化を予測・活⽤する

34．“燃料”を制すれば，核融合プラズマを制する

2 ．⾃ 発形成する断熱層でより熱いプラズマを閉じ込め

35．核 融合プラズマにおける粒⼦閉じ込めと粒⼦供給のパラドックスる

36．慣性核融合発電炉で⽤いられる核融合燃料ペレット

3 ．微 細渦が⾃発的に励起されるプラズマ乱流のマルチ

37．エ ネルギー付与過程に対応した標的構造のバリエー

スケール相互作⽤ション

4 ．⾮平衡システムに現れる⾮局所性の起源は？

38．磁 場閉じ込めプラズマとの相互作⽤による固体物質

5 ．異なる物質はプラズマ中でどう混ざる？

の均質化過程6 ．プラズマが不純物を⾃ら吐き出す条件を探る

39．⾼ 速⾶⾏の⾼密度プラズマ塊で粒⼦やエネルギーを

7 ．⾼エネルギー粒⼦の損失を⽌めろ！

運ぶ

8 ．突発的な崩壊現象やその予兆を解き明かせ
9 ．巨視的不安定性をいかにして抑えるか

核融合炉への道

10．流 れを伴う動的な⼒学平衡状態 ―MHD 理論を超え

40．トカマクプラズマの電流分布の最適解は何か？

て
11．磁場が描く層・分岐・カオスの起源は？

41．突発する⼤熱負荷への備え

12．磁場とプラズマの圧⼒がつり合う磁場配位とは？

42．ヘリウム粒⼦の⼀⽣を追え！

13．磁化プラズマの巨視的構造形成の謎に迫る

43．狭い隙間から診てプラズマを制御する

14．プラズマに潜む隠れた対称性をデザインする

44．核融合プラズマの⾃動運転15．乱れと磁場の幾何学で紐解く構造形成と機能創発45．低アスペクト⽐化トーラスの pros and cons

16．波でプラズマを⾃在に操れるか？

46．⾮ 平衡状態を利⽤してトカマク型炉⼼プラズマを⼿軽に⽣成したい！

17．核融合点⽕をめざした爆縮・加熱⾼効率化の挑戦

47．開 いた磁場による閉じ込め（開放系配位）で核融合

18．多階層複雑系を要素統合で記述する

炉は可能か？

19．統 合コードでレーザー核融合の点⽕・燃焼を予測す

48．マイルド核融合プラズマコンセプト？

る

49．探究！次世代⾼効率核融合発電⽅式

20．乱流の理解は深化する
21．⾼エネルギー粒⼦を計測する！
22．先進的中性⼦計測機で核融合プラズマを診る

核融合から新たなテクノロジーへ

23．核融合研究から芽吹く新たなインフォマティクス

50．ミュオン触媒核融合研究の新展開
51．核融合炉が拓く応⽤技術

相互作⽤するプラズマと物質

52．核融合中性⼦を使った未来の癌治療

24．壁と磁場の形状で熱と粒⼦を制御する
25．磁場を乱して，壁を守る
26．気体を使って⾼温プラズマを⼿なづけろ！

課題の類別（各記事に関連するカテゴリー記号を記載）

27．プ ラズマと物質が触れ合うことにより起こる現象をカテゴリー A（研究の指向性）
A1．⼤型ミッション研究の加速A2．新概念・新⼿法・新展開の構築
A3．連携研究（炉⼯学・プラズマ科学・異分野科学・産業等）
カテゴリー B（研究の対象）
B1．磁場構造・平衡

図3

B2．MHD 現象

学術課題集 QR コード：（左）PDF 版（右）URL．

45

Journal of Plasma and Fusion Research

B3．輸送・閉じ込め現象

Vol.100, No.1

January 2024

ワーキングメンバー

B4．乱流現象・⾮線形波動現象

横山雅之（核融合科学研究所）

B5．緩和現象・⾃⼰組織化 / 構造形成坂本隆一（核融合科学研究所）

B6．核燃焼過程

本島

B7．周辺プラズマ・ダイバータ

徳沢季彦（核融合科学研究所）

B8．プラズマ相互作⽤

藤原B9．原⼦分⼦過程・輻射輸送

佐藤雅彦（核融合科学研究所）

B10．プラズマ計測・診断

井B11．プラズマ加熱・アクチュエータ

井戸

B12．プラズマ制御

藤田隆明（名古屋大学）

B13．数値計算⼿法・データ解析⼿法

田中宏彦（名古屋大学）

B14．爆縮・⾼エネルギー密度状態

星野一生（慶應義塾大学）

B15．核融合プラズマ応⽤

江角直道（筑波大学プラズマ研究センター）

厳（核融合科学研究所）
大（核融合科学研究所）
通暁（東京大学）
毅（九州大学応用力学研究所）

高橋俊樹（群馬大学）

参考文献

福本直之（兵庫県立大学）
⻑友英夫（大阪大学レーザー科学研究所）［ 1 ］学術課題集 核融合プラズマのサイエンスとその拡がり（核融合科学研究所ホームページに掲載）．
［ 2 ］The Science of EST -Scientific challenges to be addressed by the European Solar Telescope-」：https://est-east.eu/the-science-of-est［ 3 ］	⽇本物理学会創⽴70周年記念企画・物理学70の不思議」
日本物理学会誌 72 付録（2017）．

城﨑知至（広島大学）
菊池崇志（⻑岡技術科学大学）
佐々木徹（⻑岡技術科学大学）
協力著者
藤堂泰（核融合科学研究所）

佐竹真介（核融合科学研究所）
執筆担当者（所属は，2021 年 8 月時点のもの）

鈴木康浩（核融合科学研究所）

Fusion2030 研究会

田村直樹（核融合科学研究所）

Fusion Plasma Working Group（FPWG）構成メンバー取り纏め

松岡清吉（核融合科学研究所）

仲田資季（核融合科学研究所）

小林真（核融合科学研究所）

松山顕之（量子科学技術研究開発機構）
幹事

前山伸也（名古屋大学）

釼持尚輝（核融合科学研究所）

岡田信二（中部大学）

辻井直人（東京大学）

木野康志（東北大学）

浅井朋彦（日本大学）

神吉隆司（海上保安大学校）

有川安信（大阪大学レーザー科学研究所）

藤田慶二（総合研究大学院大学）

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