J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.8 (2019)３
９１‐３９７

プロジェクトレビュー

特別推進研究統合観測システムで解き明かす乱流プラズマの構造形成原理と機能発現機構
Plasma Turbulence Observatory (PLATO) for Puzzlingout the Principles of Structural Formation andFunctional Expression in Turbulent Plasma
滋，井 戸 毅１），飯 尾 俊 二２）
FUJISAWA Akihide, INAGAKI Shigeru, IDO Takeshi１）and IIO Shunji ２）
藤 澤 彰 英，稲 垣

九州大学応用力学研究所，１）核融合科学研究所，２）東京工業大学原子炉工学研究所（原稿受付：２
０
１
９年５月２
３日）

特別推進研究「統合観測システムで解き明かす乱流プラズマの構造形成原理と機能発現機構」（平成２９年度―
令和３年度）の目的と進行状況について報告する．本研究は乱流プラズマ中で起こる諸現象の解明を目的とした計画で，実験を主体とする５年のプロジェクトである．現在，計画の要であるプラズマ乱流の物理解明に特化した PLATO 装置を製作中である．トモグラフィーと重イオンビームプローブなど先進計測器を用いて乱流場の全域局所精密観測を実現し，理論シミュレーションと協働で乱流プラズマの学理体系化をめざす．
Keywords:!-rays, particle acceleration, runaway electron, bremsstrahlung, thundercloud, lightning discharge

１．はじめに体系化の指針となる概念も得られてきている．また，自然

自然界には，太陽，雷，オーロラなどプラズマに関連す

界には，トーラス型の磁場閉じ込めプラズマと共通するとる多くの現象が見られる．プラズマの発光は美しく，躍動思われる現象が多く見られる．例えば，乱流が引き起こす

する神秘的な動きは人を魅了する．一方で，プラズマは，と考えられているブラックホール周りの降着円盤での異常

核融合，小型加速器，新物質創生，医療応用，農業応用な輸送，乱流が原因と思われる磁場や渦などの軸性ベクトル

ど現代や近未来の技術にとっても欠かすことのできない重の生成，太陽中に存在する速度の不連続面と磁場閉じ込め

要な対象である．さて，今ではプラズマを構成する電子とプラズマ中の輸送障壁などである．実験室の磁場閉じ込め

イオンとその間に働く相互作用もわかっている．では，プラズマにおいて，乱流が起こすこれらの現象を詳細に観

我々はプラズマを思い通りに制御し，その性質を十分に理測し研究すれば宇宙や自然界におこる乱流プラズマに関連解しているといってよいのだろうか．

した現象の解明にも貢献できるだろう．

多くのプラズマは熱平衡からは遠く離れた状態にあり非そこで，プラズマ乱流の体系的理解をめざして提案され線形性の強い媒質である．例えば，もっとも野心的なプラ

たのが，ここで紹介するプロジェクトである．本プロジェ

ズマ応用である磁場閉じ込め核融合においても臨界プラズ

クトは，科学研究費特別推進「統合観測システムで解き明マの達成に半世紀以上の月日が流れている．この事実は遠かす乱流プラズマの構造形成原理と機能発現機構」によっ

非平衡系としてプラズマが十分に理解されていないためでて実現した．本プロジェクトでは，プラズマ乱流の実態をある．プラズマ全体として示す遠非平衡かつ強非線形系と捉えるための実験装置を製作し，観測に基づいてプラズマしての性質は，新しく興味深い物理学的な対象である．

乱流の学術体系化を行うことを目的とする．本プロジェク

さて，探求すべき非平衡系の特徴の一つに「揺らぎ」がトは，核融合のための閉じ込めに関わる理解を進展させるある．非平衡系の構造やダイナミクスを決定するのが「揺のみならず，乱流プラズマの研究を通して遠非平衡系の物らぎ」であり，その極限的な状態が「乱流」である．磁場理学的理解をめざしたプロジェクトである［１‐３］．現状と閉じ込めプラズマの性質を主として決めるのは乱流であ

今後の計画などについて述べる．

る．核融合研究において乱流は高温高圧のプラズマを実現するために半世紀以上に渡って研究されてきた．その中で，プラズマ乱流に関するデータや知見も蓄積され，学術
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Kasuga, FUKUOKA 816-8580, Japancorresponding author’s e-mail: fujisawa@riam.kyushu-u.ac.jp

３９１!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.8 August 2019２．プロジェクトの目的

まだ謎のままである．プラズマ閉じ込め装置が大型化して２．
１ 乱流プラズマの新しい研究の指針

いくこれからの研究では，装置サイズはコストに直結する

１９７０年代に，マイクロ波散乱計測によってトカマクプラ

ので，より正確にプラズマの性能を予測すべきであろう．

ズマが乱流状態にあることが初めて 実 験 的 に 示 された

そのためには，スケーリング則の背景にある物理を知る必［４，５］．その後，乱流とプラズマ閉じ込めの関係が国際的に要があるのではないだろうか．そのほかにも，過渡状態に研究されてきた．当時は，揺らぎそのものの相関時間や距現れる非局所輸送［１８，
１９］は長年研究されてきたが，乱流離は極めて短く，乱流の理解は「局所仮説」に基づいて進場の過渡的な時空間変化や長距離相関を捉えることで実態められてきた．

が明らかにできるのではないだろうか．また，H モードをしかし，現在は，プラズマ乱流は大域的であることがわ

はじめとする輸送障壁形成機構［２０‐２２］の更なる理解にもかってきている．そこではミクロな揺らぎが帯状流などよ乱流パターンの観測は重要だろう．本プロジェクトは，乱り大きなスケール（メソスケール）の構造を創生し，これ流観測に特化した装置 PLAsma Turbulence Observatory

らの構造が再帰的に局所的なミクロな揺らぎに影響を与え（PLATO）を製作し磁化乱流プラズマに関わる未解決問題ている（クロススケール結合）ことがわかってきているを実験的に理論シミュレーションと協働で探求する．

［６‐９］．例えば，乱流が創生する構造が局所的な揺らぎを結びつける働きをする．直線プラズマの観測例であるが，３．プロジェクトの基本構想

粒子束を円筒プラズマの周りに多点計測してみる．する

３．
１ PLATO の概要と，局所的な一点の分布関数と多点平均した分布関数は異さ て，PLATO と は ど の よ う な 装 置 な の だ ろ う か．

なっている［１０］．なぜかといえば，揺らぎに空間相関があ

PLATO は乱流計測に特化した物理実験装置である．観測り駆動される各点の揺らぎが結びつくためである．この例

対象はトカマク型配位のプラズマである．大事なことは，

からも，乱流プラズマが発現する機能である輸送を理解す

PLATO 装置の目的は乱流観測にある．もちろん，核燃焼

るには，乱流場全体としての時空間構造を知る必要があ

領域のプラズマの特性を調べるには，高温高圧という意味

る．

での高性能プラズマの生成が必須であろうが，ここでは科

一方，トーラス型の閉じ込め装置では電荷分離が起き，研費で実現できる範囲で乱流プラズマの特性を観測するこ電場に非対称性ができ Pfirsch-Schlüter 電流が駆動される．

とが主眼である．ちなみに，PLATO 装置は応用力学研究

乱流は磁気面上で非対称であることが観測されている［１１‐

所の所内報「乱流実験トーラスの設計」［２３］に基づいた科

１３］．そうすると，磁気面上の異なる点では異なる粒子束研費（低コスト）版である．

が誘起されている．このときStringer's spin-up
［１４，
１５］で知

では，どのような方法で乱流を観測するのか．大域計測られるようにプラズマ流が誘起される．誘起された巨視的の要はトモグラフィーである．一方，局所計測の要は重イ

な流れは局所乱流に影響を与えるだろう．このことから

オンビームプローブおよび静電あるいは磁気プローブであも，乱流プラズマの理解は局所的知見からだけでは不十分

る．トモグラフィー，重イオンビームプローブやプローブである．クロススケール結合や乱流偏在（対称性の破れ）とプラズマ生成部が一体となって PLATO 装置である．まは大域相関を生み，局所乱流を同調させることでプラズマ

た，PLATO は乱流場の計測を主体とした装置である．

の構造形成や機能発現に影響する．乱流プラズマを理解す３．
２ 大域計測−乱流トモグラフィー

る上では避けては通れない概念である．

プラズマ分野では，トモグラフィーは鋸波状振動現象な

しかし，現在の核融合研究のプラズマ装置は大型化の時

ど MHD 不安定性などに伴う巨視的構造やその変化を観測

代を迎え，燃焼プラズマの実現へと近づいている．乱流のすることで役立ってきた［２４，２５］．PLATO 計画では，トモ観測は容易な状況にはなく，数点あるいは一次元的と言っグラフィーによ る 微 視 的 な 乱 流 構 造 観 測 に 挑 戦 す る．

て良いだろう．その意味では，局所から全体を想像する群

PLATO 装置では，３つの異なる波長領域のプラズマ光を，

盲象をなでるといった状況だろう．乱流の実態を捉えるた

そ れ ぞ れ２５０チ ャ ン ネ ル の 検 出 器 で 観 測 す る ト モ グ ラ

めには，最低でも，２次元観測が必要である．この現状をフィーシステムを２つの断面に配置する．H!光，X 線，紫打破するために，プラズマ乱流場全域を局所精密に観測

外光を用いてプラズマの周辺，プラズマの中心部分，その（大域局所精密観測）できる実験装置の実現が必要である．

間の領域を狙うことでプラズマ全域を観測する．２０１９年度

それを実現するのがこの計画である．

には，H!光，紫外光用のトモグラフィーシステムを PLATO

２．
２ 解決すべき課題

装置に設置する．その後，プラズマが安定に生成できるようになった後，放出される X 線のエネルギー領域を調べ適では，この観測によってどのような成果がもたらされる

切なフィルターとシンチレータを用いて観測する．

だろうか．これまで磁場閉じ込めプラズマの性能は，エネ
ルギー閉じ込め時間の磁場強度，電流，形状，粒子の種類

よって PLATO 装置では H!光，X 線，紫外光それぞれ（水素同位体）などに対する依存性を調べ，経験的にスケー

５１２チャンネルづつ，総計１
５３６チャンネルの受光器を配置

リング則として纏められてきた．具体的には，◯アイソ

する．これだけの数をプラズマの周りに配列するにはそれ

トープ効果，◯パワーデグラデーション，◯閉じ込めの楕

なりに工夫が必要である．受光器１チャンネルあたり 2 cm2

円度や三角度など形状依存性が経験的にスケーリング則のスペースを必要とするならば大凡 3000（〜60×60）cm2［１６，１７］として知られてきた．しかし，背景にある物理はいの面積が確保しなくてはならない．相当大きなフランジが
３９２

Project Review

Plasma Turbulence Observatory (PLATO) for Puzzling out the Principles of Structural Formation and Functional Expression in Turbulent Plasma

A. Fujisawa et al.

必要である．また，トモグラフィーの画像がもっとも精度

PLATO には内側にもポートが設けられていて内側にもプ高く得られる視線配置を選ぶことも重要で，そのためにはローブを置くことができる．プラズマの周辺や端に限られ受光器なども真空容器内の任意の場所に設置できるようにるがプローブによる内外上下などの非対称性の観測も重要製作しなくてはならない．この場合，どのように光を真空な課題である．重イオンビームプローブと伝統的なプロー外に伝送するかも問題となる．PLATO 装置では特別な真ブの局所観測とトモグラフィーの全体計測を相補的に用い空容器（あるいはフランジ）が設計されている．また，後れば，乱流場の様子がこれまでにない正確さで得ることが述するように，トモグラフィーのための真空容器内受光器できるようになる．

と大気側に光を伝送するための工夫が PLATO プロジェク

３．
４ プラズマ生成部−コイルと真空容器

トではなされている．

さて，PLATO の観測対象はトカマクプラズマである．

３．
３ 局所計測−重イオンビームプローブとプローブ

トカマクを選択した理由はステラレータに比較してコイル

トモグラフィーはプラズマの全域観測には適した計測器の製作が容易であること，加熱装置が必須ではなくコストだが，一方で，密度や電位などの物理量を局所的かつ精密面から見て安価なことなどである．またトカマクは軸対称に観測できる相補的な計測が必要である．重イオンビーム

性があり乱流の非対称性に関する問題を扱うのに容易だろ

プローブは高温プラズマの内部の密度，電位，磁場，それうとの判断もある．

ぞれの揺動を同時に計測できる強力な揺動計測器である．

PLATO プ ラ ズ マ の ス ペ ッ ク を 述 べ る と，主 半 径

実際，輸送障壁形成時の電場遷移の観測［２６，２８］や帯状流

0.7 m，副半径 0.3 m，トロイダル磁場最大値 0.3 T，通電時や帯状磁場の存在を証明した優れた揺動観測装置である

間 0.3 秒（0.3 T），プラズマ電流 40 kA，形状パラメータと

［６，
２９］
．

し て は，楕 円 度 1.6，三 角 度 0.3 で あ る．図１に PLATO

PLATO では，この重イオンビームプローブ３台による装置の断面図を示す．ポロイダルコイルとしては基本とな

乱流プラズマ観測をめざしている．重イオンビームプロー

る D（ipole），Q（uadropole），H（exapole）の３対のコイ

ブは，ビーム加速系，ビーム伝送系，ビーム分析系と極め

ルと２対のフィードバックコイル F（eedback）
１，F２コイて複雑なプラズマ計測器である．しかし，PLATO 装置のルからなる．中心にある OH（mic）コイルは中央と上下に場合，必要とされるビームエネルギーが小さく加速菅を必

３分割されている．トロイダルコイルは D 型のコイル１６本

要とせずイオンガンのみで十分である．またビームを制御で構成されている．計測に対する鉄心効果を避けてオーあるいは分析するための電源電圧も低く抑えることができ

ミックコイルは空芯とした．得られる磁束は1 kA通電時で複数台据え付けても比較的安価である．

約 0.12 Vs である．

では，３台あると何がわかるか．例えば，帯状流を完全さて，乱流を精度高く精密に計測するためには近接性のに同定するためには，トロイダル方向の対称性を証明する

高い真空容器が要求される．トモグラフィーと重イオン必要があり，少なくとも HIBP２台を異なるトロイダル位

ビームプローブが主計測だが，トモグラフィーにとっては置に設置して電場を計測する必要がある．３台となれば，超多チャンネルを実現可能なこと，重イオンビームプロー

さらに帯状流に関しては磁気面上の対称性に関する情報やブには観測範囲を広くとれるような開口部が取り付けられ空間構造もより精密に調べることができる．例えば，２台ることなど条件を満たさないといけない．その結果，真空は定点観測，残り一台はプロファイルの観測に使うなど，容器は８分割されたモジュラー型となった．図１にあるよ

全体構造と帯状流を含む局所揺動と構造の関係などを調べ

うに，２種類の真空容器モジュールが存在し（Short 型モることができる．また，乱流の偏在する様子を確かめる意

ジュールと Long 型モジュール），それぞれ４個づつである

味でも，同一磁気面３点の局所揺動の違いもより詳細に知多数のポートが配置されている．真空容器は，計測のためることができる．

に多くの観測ポートがある．トーラス内外の非対称性を観

そのほか，本プロジェクトでは，多チャンネル化が易し測するための内側ポートは容器内部から取り付ける構造にく機動性に富んだ伝統的なプローブを最大限活用する．

図１

なっている．

PLATO 装置の概念図．（左）コイルと真空容器配置．（右）
真空容器．

３９３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.8 August 2019３．
５ 推進母体と方法

現在は，さらに２台の同様なシステムが設置されてい本計画の推進の母体は九州大学の極限プラズマ研究連携

る．一つは上記システムと同じもので，もう一つは２１チャセンターである．同センターは，応用力学研究所核融合力

ンネルづつ３０度おきに６組のライトガイドが設置されたも学分野のメンバーを母体とし，プラズマ実験，理論，シのである．総計３台が現在稼働中であり磁場方向３断面にミュレーションの研究者が在籍している．実験，理論，シおける準３次元計測が可能となっている．

ミュレーションが協働して研究を進める体制あるいは方法"）PLATO 用コンポーネントの開発が同センターの特徴である．このプロジェクトにもその方

さて，PLATO では真空容器内に総計１５００チャンネルの法は踏襲されている．科研費の分担者として，同センター

受光器を設置する．そのために，真空容器内部の任意の場から稲垣教授，学外からは，核融合科学研究所の井戸准教所に配置できる受光器が必要である．そのためにコリメー

授（重イオンビームプローブ担当），東工大の飯尾教授（電タ，光学フィルター，ファイバーが一体となった受光器源担当）が参加している．松岡核融合科学研究所名誉教授（オプティカルストリング）を開発した．オプティカルスト

が製作全般，電源に関連して嶋田東工大名誉教授，理論にリングは，ファイバー部分が自由に曲げられる構造になっ関連して，伊藤早苗九州大学名誉教授，伊藤公孝核融合科ていて，コリメータからなる先端部を所定の場所に固定

学研究所名誉教授の協力を受けている．

し，ファイバー部分をオプティカルフィードスルーに結合することでプラズマ光は大気側に伝送される．大気側に伝４．計画の進捗状況

送された光は，石英ファイバーによってアンプへと伝送さ

４．
１ 乱流トモグラフィーの開発状況

れ信号はディジタイザーに記録される．ここで，１
５
００チャ!）PANTA でのプロトタイプ実験

ンネルもの光電圧変換器とディジタイザーが占めるスペー

トモグラフィーで乱流を観測できるか．この問題に応えスにも配慮が必要である．省スペースも考えて光電圧変換

るために，基盤研究 A「２次元乱流ダイナミクス観測のた器とディジタイザーが一体となったもの（オプティカルロ

めの多波長超多点観測法の開発」（代表者 藤澤彰英 H２３−ガー）を開発中である．現在１２８チャンネルのものの開発がH２５ 課題番号２３２４６１６２）によって試行実験を行った．乱

ほぼ終わっている．コンパクトなオプティカルロガーを用流トモグラフィーのプロトタイプを製作し，極限プラズマ

いれば収納は通常のラックが２台あれば十分である．ま

研究連携センターの直線装置 PANTA 実験にて原理が実証た，一括で製作すれば２万円／チャンネルと格安である．

されている［３０，３１］．その揺動観測の結果を図２に示す．こ一方，X 線トモグラフィーのための予備実験として，紫のシステムでは，真空容器内の他チャンネル受光システ

外光に対して蛍光ガラスによるシンチレーション光を間接ム，真空側から大気側へ光を伝送するためのオプティカル

的に計測する方法を試行した．試行対象としては京都工繊

フィードスルー（住田光学ガラスと共同開発），光電圧変大の RELAX プラズマを用いた．その結果は紫外光を観測換器を開発した．真空容器内受光器では，数学的な仮定がすることに成功している［３２］．また，オキサイド社の協力

成り立つよう視野を直線上に限るコリメータを使用した．

を得て適切なシンチレーションを実験も行い吟味した．そ

光電圧変換器では低ノイズのフォト ダ イ オ ー ド を用いの結果，X 線の検出はシンチレータとして LGSO を使用す

108 V/A 以上のゲインを達成している．図２に示したシス

る予定である．

テムは，３３チャンネルからなる受光器群（ライトガイド）#）画像（トモグラフィーデータ）解析法

を４５度おきに４セット設置し総計１
３２チャンネルでプラズ

PANTA の ト モ グ ラ フ ィ ー で は，一 つ の シ ス テ ム のマを観測できるように製作されている（実際には１
２８チャ

１ショットあたりデータ量は，0.3 G（３台でほぼ 1 G）バイ

ンネルを用いている）．それぞれの真空容器内受光器は光ト程度になる．このデータ解析には並列計算を用いている

学フィルターが組込まれアルゴンプラズマのラインを観測［３１］．１２コアの Macintosh を１０台動かしてトモグラフィー

するように構成されている．

デ ー タ を 解 析 し て い る．PLATO の 場 合，最 終 的 に は

図２

PANTA における乱流トモグラフィープロトタイプシステム．（a）
概念図（b）
トモグラフィーで得られたプラズマの発光分布．（c）
発
光における局所的ゆらぎのスペクトルの一例．

３９４

Project Review

Plasma Turbulence Observatory (PLATO) for Puzzling out the Principles of Structural Formation and Functional Expression in Turbulent Plasma

１５００チャンネルなので PANTA のシステム４台相当となの実施も可能であろう．

り，システム完成の際は並列計算の大型化も必要だろう．

４．
３ プラズマ生成部の進捗状況

A. Fujisawa et al.

プロトタイプシステムのデータを使って，Cormack 展

真空容器は設計していただいた湘南技研に発注し，コイ

開，Fourier 展開，Fourier-Bessel 展開，ART 法などトモグ

ルは，堀田電機製作所にて製作予定で令和元年度に完成す

ラフィー再構成のアルゴリズムとして様々な方法が試行さる．コイルおよび真空容器を支える架台は北野製作所に発れている．最終的に PET など医療応用に開発された Maxi-

注した．PLATO の閉じ込め磁場生成システムは，オー

mum Likelihood-Expectation Maximization（MLEM 法）を

ミックコイル，トロイダルコイル，ポロイダルコイル，用いている．MLEM法とは観測領域をグリッドに分割しそ

フィードバックコイルからなる．それぞれのコイルの電源の上の輻射量を逐次近似により求める方法である［３３］．関はポロイダルコイル３対とオーミックコイルはニチコン

数展開と違い，基底関数の性質に影響されない利点があに，トロイダルコイル電源は愛知電機に製作を依頼した．

り，時空間的に急激な変化を許すプラズマ諸量を解析する

特徴的なのは，トロイダルコイル電源は誘導機を用いたフのに適している．

ライホイール型自励発電機を使用している．これは，嶋田

また，MLEM 法は逐次近似法である．PANTA では１

東工大名誉教授が製作したもの（現飯尾研究室所有）をショットあたりの 600 ms の時系列データを１μs でサンプ

アップグレードしたものである［４０］．東工大現有のフライ

ルした場合，６０万点の画像の MLEM 法での再構成は随分ホイール電源は同研究室（飯尾研）の PHIX トカマクのトと時間がかかりモニターには適さない．実験中のモニター

ロイダル磁場電源としてすでに稼働していて良好な結果をとして相応しいより高速なルーチンとして Tikhonov 正則

得ている［４１］．

化法を用いた解析法も開発している［３４］．乱流トモグラ

４．
４ PANTA 実験と理論・シミュレーション

フィーの基本的な構成やアルゴリズムの開発は完了してい直線装置 PANTA での実験も進んでいる．PANTA で既
４３］．本
存成果の一つとしてストリーマの同定がある［４２，

る．
さらに，トモグラフィー画像を解析するための方法もいプロジェクトのプローブ実験によりストリーマの詳細な特くつか提案されている．MLEM 法で求めた画像は，周方向性の理解がさらに進んでいる．例えば，磁場方向に異なる

モード数などを直接評価することができない．そのため２断面をプローブで測定すると，ストリーマ構造は m＝０

MLEM 画像に対して，Fourier-Bessel 関数展開を適用し空の対称性を持つことがわかった［４４］．また，ストリーマお間構造（モード数など）を評価している．このとき問題とよびストリーマを生成する重要な働きをする（ここではメなるのは，Fourier-Bessel 関数展開に用いる基底は有限でディエータと呼ばれる）モードがソリトンとしての性質をある．そのため「どの基底の組み合わせが最適か」という持つことが判明した［４５］．長谷川‐三間方程式に基づいた問題が生じる．Fourier-Bessel 関数の正規直交性を利用し理論予想と定性的に一致する実験結果である．さらに，ス

この問題に解答を与える方法を提案した［３５］．他領域に対トリーマの大域的な構造が計られ，径方向に長く伸びたス

しても一般性を有する問題である．

トリーマの構造にしたがって粒子も輸送されていることが実測されている［４６］．そのほか，加熱あるいは生成パワー

そのほか，様々なトモグラフィー画像の解析法を開発しを増大させた新領域の実験も進められている［４７］．

ている．例えば，プラズマ中に現れるモードは特定の回転方向をもっていることがある．この回転の状態を定量的に理論シミュレーションとの協働で，効率的な実験シナリ解析する方法を，光学分野で知られるストークスパラメー

オや必要な時空間分解能を決定することができる．例えタを用いて定量化する方法を提案している［３６］．そのほば，重イオンビームプローブによってプラズマ乱流がどのか，通常の XY 座標上に張られたグリッドから，円筒座標

ように観測されるかを予測する乱流計測シミュレータが開上のグリッドへと輻射値を変換し径方向分布や周方向の局発されている［４８，４９］．直線装置実験で探求すべき課題と所構造を抽出する方法［３７］や，量子論の方法を利用して対称性を定量化する方法の考案などを今後の PLATO を含めた実験のために開発している．
４．
２ 重イオンビームプローブ
重イオンビームプローブについて，軌道計算およびハードウェア設計はほぼ終了している．ビーム入射および出射ポート部など，すでに製作中のものもある．PANTA 用に開発した１組の重イオンビームプローブと CHS で稼働して い た２台 の 重 イ オ ン ビ ー ム プ ロ ー ブ の う ち１台 を
PLATO の重イオンビームプローブとして転用する．コミュニティーの意見が許せば，CHS の重イオンビームプ
ローブをもう一台借用することを考えている．そのほか，

図３

重イオンビームを用いた密度計測法［３８］が提案されていたが，CHS の重イオンビームプローブのデータを用いてこの方法が実際に可能であることが示された［３９］．PLATO で
３９５

直線装置で観測されるストリーマとメディエータのソリト
ン性．振幅が増大するに従って波形の突立ちが観測された
Reproduced from［４５］with the permission of AIP Publishing.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.8 August 2019

謝して，ケルビンヘルムホルツ型不安定性が引起こす構造形

辞成に関する予想などが提案されている［５０］．また，トーラ

本プロジェクト全般の進展において，九州大学の永島芳

スプラズマでは Geodesic Acoustic Mode と微視的乱流の相

彦准教授，糟谷直宏准教授，山田琢磨准教授，小菅佑輔准

互作用に関する予想［５１］などが得られており PLATO の稼教授，文贊鎬助教，佐々木真助教，山!広太郎博士，花田働後に追求すべき課題を提示している．さらに，今後の研和明教授，出射浩教授，中村一男名誉教授，池添竜也准教

究において，実空間のみならず位相空間の状態が影響を与授，長谷川真助教，恩地拓己助教，島根大学の荒川弘之准

える現象を捉えることだろう［５２］．実験で位相空間を直接教授，核融合科学研究所の居田克巳教授，清水昭博助教，

観測するのは，まだまだ難しいかもしれないが，挑戦すべ小林達哉助教に感謝いたします．PLATO 装置製作に関しき課題だろう．

て松岡啓介核融合科学研究所名誉教授，嶋田隆一東工大名誉教授，伊藤早苗九州大学名誉教授，伊藤公孝核融合科学

５．終わりに研究所名誉教授に感謝します．電源の製作に当たっては，

PLATO プロジェクトの概要について述べてきた．設置

日大加藤修平助教，東工大村山真道氏，ニチコンの森威男

場所も見つかり，PLATO 装置の真空容器や電源など基幹

氏，吉本宏氏，青木大利氏，大塚智幸氏，安河内徹氏，愛設備が揃ってきている．２０１９（令和元）年１０月より装置を組

知電機の桑原祐氏，水野秀則氏，吉野真氏，小久保佳伸氏，み上げ，プラズマの乱流場の観測をめざした装置が完成す

高田正臣氏，メカトロニクス研究所の寺田聖一氏，川口卓る．「百聞は一見に如かず」―乱流場を観測できれば長年

志氏に感謝します．また，真空容器製作に関しては，湘南

謎とされてきた問題が「こんなことだったのか」というこ技研の太田和勲氏，北野製作所伊藤俊之氏，伊藤貴志氏にとにならないだろうか．また，多くの新しい事実や現象の感謝します．コイルの製作に関しては，堀田電機の松本秀発見につながるのではないだろうか．１７世紀，顕微鏡が発敬氏，宗田益男氏，蔀哲也氏に感謝いたします．計測に関明された．フックはいち早く観測結果をマイクログラフィ

しては，京都工繊大の政宗貞夫教授，住田光学の春木俊紀

アとして出版し，ミクロの世界の豊かさを世に示した．コ氏，高橋信仁氏，九州計測の友納寿氏，安倍宏和氏，また，

ルクは穴だらけ，細胞の語源「セル」と呼んだ小部屋の存装置建設全般にわたって，研究室の杉谷宏子氏，日永田美在，コルクがなぜ軽いか明らかだった．

子氏，舟木美香氏，九州計測の森康輔氏と豪創建の宮埼勇

核融合研究は核燃焼装置の時代を迎えている．炉の実現

美氏に感謝いたします．本プロジェクトは科研費（JP17Hのためにはエネルギーを取り出して見せることが焦眉の急06089，JP23246162）LHD 計 画 共 同 研 究（NIFS17KOCHであろう．そのために大型装置が必須である．しかし，炉002）の支援を受けています．

の効率的な実現には，これまで得られた知見やデータを見直し学術体系化することも必要である．そのためには機動

参考文献

性と柔軟性に富む小中型の物理実験装置は不可欠であろ［１］藤澤彰英：パリティ 1, 28 (2019).
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う．ドイツでは粒子軌道の最適化から優れた磁場閉じ込め配位を設計してきた．しかし，プラズマの閉じ込め性能を決めているのは乱流なのだから乱流から配位の最適化をめざす方が直裁的である．また，トカマクよりも炉に適した
磁場配位があるかもしれないが，その時に巨大な実験装置
による試行実験が不要となるくらいに，精密な核融合科学を完成しておくことは重要な課題である．
また，PLATO 計画が担う物理学に対する側面についても触れておきたい．非平衡系の理解は今世紀の物理学の課題の一つである．熱力学の発展は永久機関の研究から始まった．そこで，永久機関の研究から得られた経験則はエネルギー保存則やエントロピー増大の法則という普遍的法則へと昇華した．無尽蔵のエネルギーを追求するという試
みは今まだ，ワットの蒸気機関が完成し，カルノーサイク
ルが考えられた以前の状況にあるかもしれないが，この現代の夢からより普遍的な非平衡系の法則が導かれるのではないだろうか．プラズマは遠非平衡強非線形の状態にある．非平衡にあるプラズマは絶えず変化する．一見定常に見えても中では構造の生成消滅が繰り返される［５３］．究極の物質を探るように，万物がどのように変化していくのか，科学的に探求する学術領域がある．「万物流転」−古代からのテーマに挑戦するプラズマ科学のアカデメイアを
PLATO（プラトン）が実現する．
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Project Review

Plasma Turbulence Observatory (PLATO) for Puzzling out the Principles of Structural Formation and Functional Expression in Turbulent Plasma［２３］松岡啓介：設計 RIAM レポート 九州大学応用力学研
究所所報 第１
４
１号（５
１
‐
８
５）２
０
１
１年９月．
［２
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