プラズマ・複相間輸送ユニット設立報告

報告者 増崎 貴

118 April 2023, S. Masuzakiプラズマ複相ユニットの研究目的• 磁場閉じ込め核融合炉の開いた磁⼒線領域から壁へ、そして壁を冷却する冷媒、あるいは排気装置を経て燃料循環系に⾄る、プラズマと固体、液体、気体が接する系における熱・粒⼦・運動量の輸送現象を理解し、予測し、制御する• 他の様々な分野に、核融合に関する研究から得られる知⾒や技術を展開し、その進展に寄与する

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18 April 2023, S. Masuzaki

核融合システムにおける研究対象
磁化プラズマと固体・液体・気体が結合した非平衡・非線形系の物理や、輸送現象の物理に関する研究を行う
燃料循環

燃料供給

排気周辺プラズマ

主プラズマ

3

最外殻磁気面- 高融点金属- 溶融層- 液体金属固体 / 液体固体

プラズマ対向壁

冷媒

気体-

プラズマ温度低減のための不純物ガス導入-

壁からのリサイクリング粒⼦
18 April 2023, S. Masuzakiプラズマ複相ユニットにおける研究の三本柱
周辺プラズマ輸送・粒子制御

プラズマ・壁相互作用、炉工学

周辺プラズマ輸送 周辺不純物輸送

異材接合 中性⼦照射影響 液体金属

粒⼦供給・排気水素同位体蓄積・輸送

壁損耗・堆積弱電離プラズマ・光・物質相互作用
非接触プラズマの形成・安定性
原⼦・分⼦過程
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18 April 2023, S. Masuzaki

核融合炉における定常プラズマ・粒子循環/
核融合研究で得られてきた知見、技術、手法の他の研究分野への展開

核融合研究

他の分野の研究
知見
技術

Fusion product

プラズマ性能（核融合三重積) 1028度秒/m3

核融合炉

5

生物学

手法

光渦

産業応用
プラズマ持続時間（秒）Durationtime [s]宇宙プラズマアストロバイオロジー
18 April 2023, S. Masuzakiプラズマ複相ユニットのメンバー
所内メンバー

6

R5年度研究戦略会議所外メンバー

氏 名

研 究 分 野氏

宇佐⾒俊介

プラズマ物理学

荒巻光利

日本大学

菅野龍太郎

プラズマ物理学

井戸 毅

九州大学後藤勇樹

光・物質相互作用

小林政弘

プラズマ物理学

加藤政博

広島大学

庄司 主

プラズマ物理学、周辺プラズマ・PWI解析など

川口秀樹

室蘭工業大学

久保 伸

中部大学

時谷政行

核融合炉材料学小林憲正

横浜国立大学

中村浩章

物性物理学理論

齋藤誠紀

山形大学

浜地志憲

プラズマ・材料相互作用

坂本瑞樹

筑波大学

林 祐貴

プラズマ理工学

田中宏彦

名古屋大学

増崎 貴
（R5年度ユニット長）

プラズマ理工学

豊田浩孝

名古屋大学

本島 厳

プラズマ理工学

蓮尾昌裕

京都大学

森崎友宏

プラズマ理工学

波多野雄治

富山大学

矢嶋美幸

プラズマ・材料相互作用

吉村信次

プラズマ物理学名所

属

18 April 2023, S. Masuzaki

研究の進め方• 非接触プラズマ生成・維持のためのプラズマと気体との相互作用、プラズマと固体・液体対向壁との相互作用、対向壁中の粒⼦・エネルギー輸送と粒⼦蓄積、およびこれらの、動的事象への応答など、素過程の研究を進める。
• 開いた磁⼒線領域から壁・冷媒・排気装置に⾄る系の、時間・空間スケールが異なる素過程のつながりに焦点を当て、この系における輸送に対するモデリング、および制御方法を得る。

• プラズマと、固体、液体、気体という複数の相間にまたがる研究を一つのユニットで協同して行うことにより、それぞれの研究分野間のsynergy効果を促進する。

7

12 July 2022, S. Masuzaki

周辺プラズマ・不純物・中性粒子輸送研究• 核融合プラズマを構成する様々な粒⼦（燃料粒⼦、ヘリウム、不純物）の、様々な輸送を定式化する• 既存のコアから周辺、ダイバータに⾄るシミュレーションコード群、それぞれの利点を兼ね備えたハイブリッド的な新たな計算手法の創出を目指し、国内、国際共同研
究として展開する– 周辺プラズマ・中性粒⼦輸送 EMC3-EIRENE– 不純物輸送 IMPGYRO, KEATS– 壁を含めた不純物輸送 ERO2.0• 実験データの蓄積と解析、実験データの再現によりシミュレーションコードの改良を進める• LHDで実装したダイバータ排気を例に、中性粒⼦制御における高性能プラズマとの関係性を明らかにしていく• 原型炉を⾒据えた中性粒⼦制御（粒⼦排気を含めた）の確立を目指す
818 April 2023, S. Masuzaki非接触プラズマ研究•非接触プラズマの生成・安定維持– 光とプラズマ（物質）の相互作用として捉え、磁⼒線構造とプラズマの熱的不安定性および乱流等の微視的不安定性に起因する輸送の時空間スケールが、原⼦分⼦過程による輻射とどのように相互作用しているかという観点からアプローチ

小林政弘

する。
– この研究には低温高密度プラズマ中の輻射輸送や、水素分⼦の回転・振動状態の原⼦・分⼦過程への影響、負イオンの効果などが含まれ、トーラスプラズマの密度限界研究にも関分⼦活性化再結合速度係数の水素分⼦の振動準位への依存性
信州大澤田先生わる。
– 電磁誘導透過(EIT, Fano効果)等を用いた光によるプラズ
9マの光学的特性の積極的な制御へと発展させる。

July 2022, S. Masuzaki
小林政弘
電磁誘導透過の概要図 12

プラズマと固体・液体壁との相互作用研究•

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

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

シムレーションで得られたケルビン-ヘルムホルツ不安定性によるプラズマと溶融タング
ステン界面の波の成長と液滴の発生
G.Miloshevsky and A.Hassanein, JNM 2011

1012 July 2022, S. Masuzakiプラズマと固体・液体壁との相互作用研究• 対向壁中の粒⼦・エネルギー輸送
0.06 dpa– 対向壁中の水素同位体・ヘリウム挙動について、中性⼦照射損傷の影響や、プラズマ対向面と冷却管間の急峻な温度勾配下での挙動に注目した研究を行う。

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

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

11

複数回のろう付けによる複雑構造の作成

M.12
Tokitanial, Nucl.
2021
July et2022,
S.Fusion
Masuzakiシミュレーション研究• シミュレーション– 国内外の研究者と連携し、光と原⼦・分⼦の相互作用には量⼦⼒学理論、固体原⼦分⼦の動的な振舞には分⼦動⼒学法、周辺プラズマ輸送には流体プラズマ・中性粒⼦輸送コードやPICを用いたシミュレーション研究を行う。
– 実験及び理論・シミュレーション研究の成果を統合、モデル化し、周辺プラズマから非接触領域の弱電離プラズマ、プラズマ対向壁、そして冷媒に⾄る多様な現象を繋ぐ予測精度の高い熱・粒⼦・運動量輸送シミュレーションを可能とする。

主プラズマ 周辺プラズマ

プラズマ輸送流体プラズマ・中性粒⼦輸
送コード、PIC

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

プラズマ対向壁

分⼦動⼒学に基づく
水素プラズマ対向壁リサイクリングモデル

冷媒1212 July 2022, S. Masuzaki

素過程の研究を進めるとともに俯瞰的視点からの研究も展開
定常プラズマ実験、要素モデルの改良とシミュレーションコードの連結
熱の流れ

13粒子循環実験での観測、シミュレーションによる再現

18 April 2023, S. Masuzaki

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

プラズマ中や壁材料中の粒⼦輸送研究、例えばソレー効果のように複数の勾配が駆動する「非平衡交差輸送（クロス効果）」の研究などを、他分野と協同して進める。

•

研究対象となる現象のアナロジーを活用し、例えば熱プラズマや、液体金属を用いたプラズマプロセスへの展開も検討する。

•

本ユニットの研究で用いる、あるいは新たに開発する機器や実験・計測手法などを他分野の研究に適用した新たな展開をもたらす。
1418 April 2023, S. Masuzaki

ユニット間連携• 超高流束協奏材料ユニットと連携し、プラズマおよび複数種のイオンビームの同時照射が可能な実験装置の検討を進めている。

• 今後さらに、研究推進のためユニット間連携を進める。
15

18 April 2023, S. Masuzaki

所内メンバーの研究計画

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18 April 2023, S. Masuzaki

大域的運動論に基づく不純物輸送のモデリング研究
開発中の大域的モデル（コア‐周辺領域）：

局所近似モデルにおける計算結果

菅野龍太郎

大域的モデルにおける計算結果𝜕𝜕+ 𝑣∥ 𝐛 + 𝐯md ∙ 𝛻 + 𝜉ሶ𝛿𝑓𝑍 = 𝑆0 𝑓M,𝑍 + 𝐶F𝑍𝑖 𝑓M,𝑍𝜕𝑡𝜕𝜉

従来のドリフト運動論局所近似モデル（新古典論）：
𝜕𝜕+ 𝑣∥ 𝐛 ∙ 𝛻 + 𝜉ሶ𝛿𝑓𝑍 = 𝑆0 𝑓M,𝑍 + 𝐶F𝑍𝑖 𝑓M,𝑍𝜕𝑡𝜕𝜉※流体モデルによる温度・密度分布などの物理量が前提※これまで、コアにおけるモデル検証を行ってきた• 局所近似モデルに基づく計算結果は、局所的評価である新古典論と一致• 大域的モデルに基づく計算結果では、隣り合う位置の分布が互いに影響⇒５次元位相空間における分布に対する新たな有限軌道幅効果の発見
R. Kanno et al., NF 60 (2020) 016033.

• 静電ポテンシャルの影響評価のため、モンテカルロ・ポアソンソルバを新規開発
R. Kanno et al., PFR 17 (2022) 1403029.

流体モデルおよび複相間モデルと組み合わせ、周辺領域における不純物輸送に対する運動論効果の影響を評価 ⇒粒子循環の理解に対して貢献
1718 April 2023, S. Masuzakiプラズマ・気体・固体相互作用の実験・シミュレーション研究 庄司主1818 April 2023, S. Masuzaki

非平衡交差輸送の理解
原型炉に貢献しうる、中性粒子排気の学術研究

本島 厳

水とエタノールのような単純な系でもソレー効果の定量的な予測ができていない（単なる拡散系であっても）。核融合炉（プラズマおよび対向壁）のような複雑系の粒子輸送（拡散、対流など）を解き明かすことで、その理解に貢献する

新しい中性粒子計測
新しいフィラメント開発→IPPとの国際共同研究へと発展

ITER design
sandwich cathodewith ZrC emitter

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水素、ヘリウムを分離できる排気系の確立
本島, 細孔制御された活性炭を活用したクライオ吸着ポンプの開発、NIFS産学連携研究 （2019-2022）、プラ核学会誌2022

ナノメートル、数十ナノメートルの細孔制御した活性炭による高性能排気ポンプの実現

ナノスケールの機能材料を用いた分子ふるい法の活用検討

本ユニットのアウトカムである「定常プラズマ・粒子循環」に資する、核融合プラズマを構成する様々な粒子・熱・運動量の、様々な輸送を定式化する
18 April 2023, S. Masuzaki非接触プラズマにおける過渡的熱負荷の減衰 林 祐貴
定常的熱負荷熱パルス

過渡的熱負荷炉心プラズマ周辺プラズマ熱パルス

ELMに伴う熱の吐き出し ~ 1-3 MJm-2 (Type I)
R.A. Pitts NF (2007).

「非接触プラズマが熱パルス緩和へどの程度有効性を示すのか」
直線型装置を用いた実験をメインに解明

ダイバータ板ダイバータへ流入する熱パルス
パルス生成が稼働中の装置での実験
トムソン散乱計測
(上流)
プラズマ源

トムソン散乱計測
(下流)
分光計測

プラズマ源

磁場ターゲット板

パルス

磁場ターゲット板パルス…

NIFSにおいてパルスプラズマ生成を整備

DC電源
分光計測

静電プローブMagnum-PSI

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静電プローブ

パルス電源

TPD-II

研究テーマ
1. 過渡的熱負荷減衰に要する輸送距離の評価と原型炉への外挿
2. リサイクリング粒子束が関与するパルスプラズマのエネルギー損失過程の解明

18 April 2023, S. Masuzaki

照射損傷材料中の水素同位体挙動研究 矢嶋美幸
中性子照射材料を含む照射損傷試料中における水素同位体の拡散・捕獲・脱離モデルの構築を目指す➢ 核融合炉の実現を目指す上で、中性⼦照射損傷を有する核融合炉プラズマ対向壁中の水素同位体挙動を明らかにすることは極めて重要な課題の一つ⚫ 管理区域に設置された小型プラズマ照射装置（CDPS、東北大学金属材料研究所附属量⼦エネルギー材料科学国際センター所有）を用いて、中性⼦照射試料中の重水素の捕獲エネルギーを実験的に求める⚫ 分⼦動⼒学（MD）シミュレーションを用いて、水素同位体の曝露温度の違いが空孔と水素同位体の相互作用に与える影響について明らかにする

21図）小型プラズマ照射装置

図）MDシミュレーション例

18 April 2023, S. Masuzaki

ナノスケールのプロファイリング技術を用いた機能性材料の高度化・長寿命化 時谷政行

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18 April 2023, S. Masuzaki

液体金属プラズマ対向壁研究 浜地志憲
TPD-IIへの液体金属導入（製作中）
液体金属

液体金属PFMは成立するか？
そこで何が起きるか？
 複雑現象の理解

φ60 mm

液体金属ガス駆動液体金属流動試験と自由表面形成
前処理なし 前処理あり

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

 新現象の探求とメカニズム解明
 水素プラズマによる発泡現象

 液体金属PFCの実現可能性

 液体金属流の粒⼦排気性能と熱除去性能
 磁場化流動中のMHD
 液体金属流ダイバータ構造の探求

ガス駆動流動装置
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濡れ性改善による自由表面流形成
18 April 2023, S. Masuzaki

核融合炉を目指したプラズマ・壁相互作用研究 増崎 貴
• 周辺プラズマからダイバータへ⾄る輸送– LHD、W7-X、JT-60SA他の核融合実験装置の周辺・ダイバータプラズマを対象として、ドリフト、不純物ガス入射、非拡散的輸送のダイバータプラズマへの影響に関する実験・データ解
析による研究• プラズマ・固体壁間相互作用– LHD、W7-X、JT-60SA他の核融合実験装置、および直線プラズマ装置などを用いた、固体壁中およびその固体壁表面堆積層中の水素同位体およびヘリウムの蓄積、輸送に関する実験研究。
• プラズマ・液体金属間相互作用– 直線プラズマ装置などを用いた液体金属プラズマ対向壁の損耗や、水素同位体およびヘリウムの蓄積に関する実験研究。
• 原型炉設計に関わる周辺・ダイバータプラズマおよびPWI– ダイバータ設計に関わるプラズマ・PWI、壁コンディショニング等に関する研究。
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18 April 2023, S. Masuzaki

研究計画

森崎友宏

本ユニットのテーマである、プラズマと異なる物質との相互作用を、実験に軸足を置いて調べて行く。対象とするプラズマはトーラス装置の周辺・ダイバータプラズマを想定している。また、この研究テーマが取り組む対象の物理は、ナノ秒から数時間、数日まで非常に広範な時間スケールの現象を包含していることから、少なくとも数１０分程度の長時間放電を行う必要がある。
⇒ 共同研究（プラズマ、高熱負荷機器開発）：QUEST、W7-X、EAST、WEST、KSTAR・・・⇒ LHDデータの活用

令和５年度研究計画
九大応力研共同研究
QUESTの金属壁（タングステン＆とステンレス）のタングステン部は、W溶射材であるため、表面には多くの細孔が存在し、粒子循環に大きな影響を与えると考えられている。本研究ではWのバルク材を導入し、表面状態の違いが粒子制御性、プラズマ性能に与える影響を調べる。
本年度は、「粉末拡散接合」でWとCuヒートシンクを接合したダイバータ板の小サンプルを製作し、脱ガス特性、熱特性等を調べる試験を実施し、QUESTへの導入を目指す。また、これまでのQUEST実験で得られているダイバータの熱負荷分布や冷却特性等のデータを参照しつつ真空容器内機器の調査を行い、実機ダイバータ板の構造を決定し、工学設計を完成させる。
LHD長時間放電データの見直し
IEA実施協定「定常グループ」で共同執筆を進めている論文に用いるデータのマイニングを行う。
⇒LHD定常実験のレビュー論文に繋げる
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18 April 2023, S. Masuzaki粒子コードへの素過程組み込みとその適用 宇佐見俊介
クーロン衝突粒⼦シミュレーションモデル

電荷交換励起電離
分子活性化
再結合
電子・イオン再結合

非接触プラズマ
磁気再結合

衝撃波光渦球状トカマク加熱etc• 原⼦分⼦過程の物理を、素過程として理解する。
• その素過程をモデル化して、粒⼦コードに組み込む。
• 素過程組み込み粒⼦コードを、実際のプラズマ現象に適用する。
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18 April 2023, S. Masuzaki

MDを中軸とした研究計画

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中村浩章

18 April 2023, S. Masuzakiプラズマ中の熱的不安定性／光と物質の相互作用 小林政弘
プラズマ中の熱的不安定性

光と物質の相互作用• 核融合プラズマと星間プラズマにおける熱的不安定性の包括的な理解• 低温・高温相の二相流体の構造形成・相転移における磁場の効果• 原子・分子・イオン種の違いによる放射冷却の効果、乱流の効果• 環状閉じ込めプラズマの放射冷却の安定制御• 星間分子雲形成のメカニズム理解の深化• 核融合原型炉を見据えたダイバータ領域の光と原子・分子過程の相互作用• 放射光源を用いた真空紫外、可視、赤外光の水素分子への照射実験：振動・回転励起への影響• 生命の起源・ホモキラリティの起源• 宇宙における生命材料物質形成におけるプラズマの集団現象・磁場構造、光の効果• ホモキラリティの地球外起源説の検証：円偏光、宇宙磁場・電場の効果

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核融合プラズマにおける熱的不安定性

星間分子雲形成における熱的不安定性

18 April 2023, S. Masuzaki電子サイクロトロン運動とその放射場の解の探求 後藤勇樹

29

18 April 2023, S. Masuzaki今後の研究の紹介

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吉村信次

18 April 2023, S. Masuzaki

まとめ• 本ユニットでは、核融合炉における周辺プラズマからプラズマ対向壁、そして冷媒・排気系に⾄る、プラズマと固体、液体、気体が接する系における熱・粒⼦・運動量の輸送現象を理解し、予測し、制御することであり、素過程の研究の連結によりこれを進める• 核融合研究で得られた知⾒・技術を他分野に展開し、その進展に貢献する• 大学等や自然科学研究機構の各機関、QST、海外研究機関との共同研究を推進する

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18 April 2023, S. Masuzaki