九州大学大学院総合理工学府
総合理工専攻 量子・プラズマ専攻

核融合プラズマ物性制御工学研究室
井戸 毅， 長谷川 真
https://www.triam.kyushu-u.ac.jp/idoken/

研究の背景：核融合

JT-60SA （日本）

2021年〜

（回収）
三重水素

R~3m

リチウム
ヘリウム
国際熱核融合実験炉(ITER) 2025年~(日、EU、米、露、中、印、韓)

重水素

重水素、リチウムともに、海から採るとほぼ無尽蔵(資源の偏在性が少ない）

水 ３リットル
重水素 0.1g

スマートフォンの電池(1/2個）
リチウム 0.3g

日本の一人当たりの年間電気使用量約8000kWhを発電できる

R=6m

核融合炉には高温、高密度プラズマが必要
核融合反応率𝑃𝑛 𝑛 𝜎𝑣 𝐸

１回の反応で発生するエネル
ギー𝜎𝑣* 本講義ではD-T反応を念頭に話を進める。

温度の関数
温度（T)が１〜２億℃辺りでは v  1.11024 T 2 (m3 s )⇒𝑃

𝑛 𝑛 𝑇 𝐸

できるだけ高温、高密度が望ましい。

（1eV = 11,600K）

核融合炉には高温、高密度プラズマが必要
核融合出力

低温

高温

低温

⇒ 高温度、高密度プラズマが必要
加熱

（百万度）

（𝒏：数密度，𝑻: 温度）

損失

損失
𝑃

損失
𝑃

加熱𝑃

⇒ 加熱パワーの増加
損失を少なくする(閉じ込め性能の向上)

閉じ込め性能の向上は経済性の高い核融合炉の実現につながる

球状トカマク装置QUEST
https://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST̲HP/
トロイダル磁場コイル

プラズマ

ポロイダル磁場コイル

真空容器

プラズマ生成の様子

磁力線

トカマクプラズマの定常維持のために必要な高温プラズマの物性研究や要素技術開発

5m

QUESTの目的：定常プラズマの生成と制御• 非誘導電流駆動：マイクロ波を使用したプラズマの生成と制御• 燃料粒子の制御：プラズマと真空容器壁の相互作用を含めた粒子の流れの理解
ECR層

ECH/ECCD

500eV
電子温度

電子密度将来の核融合炉にまで外挿するには、予測精度の高い学術基盤の構築が必要

本研究室が開発及び担当している機器

QUEST装置を制御する機器
中央制御システムPXI system

高温プラズマ（数100万℃）

プラズマを計測する機器
真空容器壁冷却システム
cRIO system

冷却水バルブの開閉
冷却水温度の監視

本体及び周辺機器の全体的な監視

重イオンビーム（電磁場、乱流）

レーザー分光（密度、温度）真空容器壁加熱システム
MELSEC sequencer

プラズマ制御システム
PXIe system

プラズマの制御

磁気センサー（磁場）

ヒーターによる壁温度のフィードバック制御

プラズマの輸送をどう調べるか？

高温プラズマ内部の計測
低温

高温

プラズマ中の乱流（電位の揺らぎ）

低温（百万度）熱の流れ
名古屋大学渡邊智彦先生
によるシミュレーション）
Watanabe, T-H., and H.
Sugama. Nuclear Fusion
46.1 (2006) 24

乱流

閉じ込めが悪い

加熱
高温

高温高密度プラズマを生成する。
• 温度及び密度の計測• 温度、密度の上昇を阻害するものは何か？

閉じ込めが良い

低温

高温低温

QUEST用HIBP

高温プラズマ内部の計測：電磁場
重イオンビームプローブ(HIBP)
重イオンをプラズマに入射し、プラズマと衝突してイオン化したビームをエネルギー分析する。電位、密度、磁場の揺らぎの計測。

計測結果（電位揺らぎの実空間―周波数空間分布）
帯状流が中心近傍に存在

研究課題
 荷電粒子ビームの制御• ビームのシミュレーション• プラズマ閉じ込め磁場の変化に対応するためのフィードバック制御
 乱流によるプラズマの閉じ込めの研究• プラズマの電磁揺動及び電位分布を計測し、その時系列データの解析（周波数、相関、非線形相関）によりプラズマの閉じ込め性能を決定づける乱流の特性を解明する。

高温プラズマ内部の計測：電磁場
重イオンビームの実時間制御• 計測位置の選択は掃引電極に与える電圧によって決定する。
• プラズマ中での電流分布の変化に応じて、重イオンビーム制御のための高圧電源の設定値を最適化する。

高圧電源

FPGA (NI Compact RIO)
出力電圧設定最適化演算

計測• プラズマ電流• ビーム到達位置• ポロイダルコイル電流• 磁束

ビーム軌道の制御

HIBP

トムソン散乱計測システム
レーザをプラズマに入射し、散乱光のスペクトルを計測することにより、電子温度及び密度を測定する。

ECR層

高温プラズマ内部の計測：温度、密度500eV
電子温度

プラズマ

電子密度YAG Laser（東京大学との共同研究で設置・運用）• プラズマ加熱実験における電子温度、密度計測• 画像解析に基づくレーザーの遠隔アラインメント• 受光系の遠隔実時間制御による計測位置の選択• 計測データを用いたプラズマの実時間制御

アラインメント用
画像データ

プラズマをどう制御するか？

プラズマを閉じ込める磁場を生成するコイル電源の制御
PF3-1

1600mm

コイルと電源の組合せの例

PF3-2

Coil
HCU

1200

PF2800PF4-1

400

PF14000800

1200mm

PF4-2A,B

PF7-400-800

PF4-3-1200

PF6Pow.
Sup.

Com.
Gain

１ TF

TF

60kA/1V

２ PF17

BH

100V/5V

３ PF26

HF±400V/±5V

４ PF35-1SP

150V/5V

５ PF35-2

SN

150V/5V

６ PF4-13

CT

68V/1V

７ PF4-2IDX±1.5kA/±10V

８ HCULMP±60V/±10V

プラズマ制御システム① 現在の電流値を受け取り、HCL-1600mm

PF5-1

PF5-2

② 目標となる電流値になるように電圧指令値を調節する(PID制御)。

• 磁場はコイルの電流に比例するため、電圧制御でなくて、電流制御を行う必要。
• 電源の幾つかは電圧制御。
（入力信号に応じた電圧を出力する。）• 従って、プラズマ制御システムで、電流値に対するPID制御を構成する必要。
（PID controller：
Proportional Integral Derivative Controller）

コイル電源

コイル

PID制御の適切なゲイン値を決定する手順―数値計算を用いて経験的に求めるー
電源およびコイルの仕様値を用いて事前に数値計算を行い、各ゲイン値をトライ＆エラーで求める。
不足制動

[A]

8000
6000

TargetCurrent(経験的方法)その１．GI=GD=0として、臨界制動になるGPを求める。
その２．GP を約20倍して不足制動にする。
その３．GI = 4 GD の関係を保ちつつ、不足制動が起きなくなるまでGD を上げていく。

臨界制動

4000

過制動

2000

0.02

0.04

0.08 0.1
[sec]

0.06

0.12

0.14

targetConditions
Max Votage：750V
Inductance：753μH
Resistance：1.27mΩ
（Time Const.： 0.59sec）

targettargetcurrent

GP=0.0007
GI=0.0GD=0.0（critical damp）
app. vol.

その１

GP=0.014(=0.0007×20)
GI=0.0GD=0.0(underdamp)
app. vol.

その２app. vol.

GP=0.014
GI=0.002
GD=0.008

その３渦電流効果の位置同定および制御に及ぼす影響
渦電流効果が無視できない場合これらの影響をリアルタイムに評価して、除去する必要がある。
デジタルフィルターの採用

j n  (in  j n 1 )(1  Exp[ s])  j n 1 : 遅延の時定数 ( s : サンプリング周期)
in : 実際のコイル通電電流
jn : 時間遅延が施された電流値

5.00.06

コイル電流

0.05

4.0

Ics(kA)などの問題が生じる。

6.00.04
フラックス

3.0

0.03

2.0

0.02

1.00.01

0.00.00

-1.0
0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

FLS2 (Vsec)• 磁気計測に渦電流効果が重畳され、プラズマ位置の算出に誤差が生じる。
• PFコイルによる磁場が真空容器内に染み込むのに時間がかかり、位置の制御に遅れが生じる。

コイル電流波形とフラックス信号波形の比較 （#3619）-0.01
0.54Time(sec)

コイル電流とフラックス信号（磁束）の波形は相似形になっておらず、渦電流効果が生じていることが分かる。

プラズマの位置・形状を制御する。
リミター配位のプラズマ生成は容易ですが、真空容器への熱負荷が高く、長時間維持には不向きです。そこで、リミター配位を形成後、ダイバータ配位へ移行して維持する制御が必要になります。

@3.5sec

リアルタイムにプラズマの電流分布を求めることは、計測・制御にとって重要です。
電流分布を求めるの平衡計算がありますが、これは多くの計算資源が必要になります。

プラズマの位置・形状を制御
リミター配位のプラズマ生成は容易ですが、真空容器への熱負荷が高く、長時間維持には不向きです。そこで、リミター配位を形成後、ダイバータ配位へ移行して維持する制御が必要になります。
ダイバータ配位

リミター配位
PF3-1

1600mm

PF3-2

PF3-11600mm

HCU

1200

PF3-2HCU

1200

PF4-1

400

PF140008001200mm

PF4-2A,B-1200

PF1400-1600mm

800

PF4-2A,B

PF7PF4-3-1200PF6HCL-1600mm

PF5-2PF5-1

最外殻磁気面の決定 ・・・・・・・・③0.4msec
電流分布や計測値などを・・④
磁束と未定定数の線形結合で表現 9.9msec

1200mm-400

PF6HCL

PF5-1400-800

PF4-3磁束を計算

・・・②
1.67msec

PF4-10PF7-400-800

PF2800・・・・・・①0.03msec

電流分布を仮定

PF2800磁気センサーによる計測値入力

PF5-2

コイルの電流値の組み合わせにより、プラズマの位置・形状を制御できる。

計測値との差が小さくなる未定定数を決定• プラズマ圧力など計算可能になった物理量を算出• 制御値の計算、出力⑤0.2msec

12.2 ms以上（1 ms程度にしたい）

FPGAを用いたプラズマ平衡計算コードの開発
LabVIEWによるFPGAのプログラム例(時間積分による磁束のリアルタイム算出)

QUESTでのLabVIEWによるFPGA利用の例
100kHzのサンプリングを行い、FPGAを用いてリアルタイムに時間積分を行い磁束の算出をする。𝑉𝜙

Vdt 𝑉: 計測電圧𝜙: 磁束𝜙

高速な処理を可能にするFPGAを用いて、プラズマの位置・形状を高速・高精度で求めたいと考えています。

主な就職先三菱電機, 古河電気工業, 日立製作所, 日本総合研究所, 昭和電工,
トヨタ自動車, 新日鉄エンジニアリング, 九州電力, いすゞ自動車,
マツダ, オリンパス, 日立金属, 公務員（東京消防庁）, JFEスチール,
キャノン, 富士フイルム, 新日本製鉄, 日本電子, トヨタテクノサービス