J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.8 (2021)４
２７‐４３２

解説

定在ホイッスラー波による高速イオン加熱と核融合科学への応用
Ultrafast Heating of Ions by Standing Whistler Waves
and its Application to Fusion Science
佐野孝好
SANO Takayoshi
大阪大学 レーザー科学研究所（原稿受付：２
０
２
１年５月１
４日）

我々はホイッスラー波を活用することで臨界密度を超える高密度プラズマ中でイオンを直接加熱する機構を提案している．このエネルギー変換は，定在ホイッスラー波中で増幅されたイオン音波がレーザー周期程度の極短時間で崩壊することに起因する．定在波中のイオンは，時間的に一定な静電場によって効率的に加速され，ポンデロモーティブポテンシャルに匹敵するエネルギーを電磁波から獲得する．最終的なイオン温度はプラズマ
密度や外部磁場強度，ホイッスラー波の振幅を用いて見積もられ，100 keV を超える温度にも達することが予測される．本解説では，このイオン加熱機構がレーザー駆動慣性核融合の新たな点火方式の選択肢になりうるかについて，プラズマ粒子シミュレーションを用いて検討した結果を紹介する．
Keywords:
inertial confinement fusion, laser-plasma interaction, whistler wave, ion heating, particle-in-cell simulation

１．はじめにる．その場合，臨界密度という制限は存在せず，ホイッス

慣性核融合研究の究極的な目標は，高密度のイオンを如

ラー波はどのような密度のプラズマに対しても侵入でき何に効率的に加熱し核融合反応を起こすかである．つまりる．そうなると，電磁波であるホイッスラー波と高密度プ

レーザー駆動慣性核融合では，注入するレーザーエネル

ラズマが直接相互作用できることになり，従来考えられてギーを，燃料物質であるイオンの熱エネルギーに効率的にいなかった新しい物理機構によって，効率的なエネルギー

変換できなければならない．しかし，通常はレーザー・プ

変換や粒子加速現象が期待される［１‐３］．また，この特性をラズマ相互作用の最初の段階で，電磁波のエネルギーのほ利用することで，直線偏光のレーザー光を円偏光に変換す

とんどが電子に輸送されてしまうという根本的な課題があるプラズマデバイスを設計することも可能である［４］．面

る．その場合，電子からイオンへのエネルギー変換は衝突白いことに，この機構が起こるための実効的なプラズマ条過程を通じてゆっくりと進行し，一般にその効率も非常に件は，高強度レーザープラズマや磁場閉じ込め核融合プラ

悪い．したがって，もし電磁波からイオンに直接エネル

ズマ，さらには惑星間プラズマと共通しているため，このギー変換できる物理機構が見つかれば，この課題を解決すプラズマ加熱機構は幅広い分野の応用研究に展開できる．

る重要なブレイクスルーになりうる．そして，例えば高速

２．ホイッスラー波の伝播特性

点火方式と呼ばれる圧縮と加熱を分業で行うレーザー核融
合方式において，従来方式とは全く異なる新しい加熱デザ

高強度ガラスレーザーなどの波長１ミクロン程度のレーインを提供できるかもしれない．

ザー光の場合，ホイッスラー波が伝播するための臨界磁場

そこで我々は，レーザーからイオンへの直接的かつ効率

強度は，およそ１０キロテスラ（１テスラは１万ガウス）に的なエネルギー変換機構を探索することを目的として研究相当する．すなわち，この１０キロテスラがレーザー・プラを進めている．その中で発見した興味深い加熱機構が，定ズマ相互作用に質的な違いをもたらす必要条件となる．近

在ホイッスラー波の崩壊現象である．通常，プラズマ中を年，大阪大学の激光 XII 号レーザーなど世界中の大型レー伝播するレーザー光には臨界密度が存在し，固体密度を越ザー実験によって，１キロテスラ程度の強磁場の生成が数えるような高密度プラズマ中を伝播することはできない．

多く確認されている［５］．さらに，その１０００倍である１メガ

しかし，非常に強い磁場が存在すると，この状況は一変す

テスラの発生も，数値シミュレーションによって既に予言る．もし，電子サイクロトロン振動数がレーザー光の振動されており，その実証実験が計画されて い る［６］．つま数よりも大きくなると，磁力線に沿って進行する低振動数

り，１０キロテスラを越える極限磁場の実験室利用が目前にのホイッスラー波が，プラズマ中を伝播できるようにな迫っており，「高強度レーザーと超臨界高密度プラズマのInstitute of Laser Engineering, Osaka University, Suita, OSAKA 565-0871, Japanauthor’s e-mail: sano@ile.osaka-u.ac.jp

４２７!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.8 August 2021

直接相互作用」の現実味が急速に高まっている．
電磁波の振動数 #!が与えられたとすると，臨界密度" "%が計算できる．
'#!"% や臨界磁場強度!#!&$#!!
!&$#!!

臨界磁場強度の大きさは，電磁波の振動数に比例するため，レーザー波長には反比例することになる．つまり，波長１０ミクロンのレーザーに対してはホイッスラー波伝播に要求される磁場強度は１キロテスラに緩和される．したがって，レーザーを用いた原理実証実験には炭酸ガスレー
ザーの使用が魅力的かもしれない．また，無衝突近似が成り立つ範囲では，さらに波長の長い電磁波を考えること
で，磁場核融合プラズマやさらには惑星磁気圏プラズマ，
太陽風プラズマでも全く等価な現象が期待できる．
我々はプラズマ粒子コード（Particle-In-Cell; PIC）を用いた第一原理シミュレーションによって，高密度プラズマ
中の大振幅ホイッスラー波の伝播過程を理論的に明らかにしてきた［１‐４，７］．解析手法の特色としては，できるだけ簡潔な系を用いて現象の本質を抽出することで，複雑なプラ
ズマ基礎過程を一つ一つ丁寧に理解していくことを目的としている．そして，高密度プラズマと電磁波との直接相互作用について広いパラメータ空間を網羅的に調べ上げることで，効率的なエネルギー吸収過程や粒子加速機構の最適化を達成させたいと考えている．

図１

このイオン加熱現象は空間一次元・速度三次元を考慮することで扱うことができる．真空中に一様密度の高密度プ
ラズマターゲットを初期にセットし，そこに円偏光レー
ザーを照射する系を考える．レーザー光の伝播方向に臨界
磁場強度を超える外部磁場を印加しておくと，照射されたレーザー光はホイッスラー波としてプラズマ中にもそのま

対向ホイッスラー波と高密度プラズマターゲットとの相互作用の時間発展の PIC シミュレーション例．（a）から（d）に時間発展をしている．真空中に置かれたターゲットの両側から高強度レー ザ ー を 照 射 す る と，そ の 一 部 が ホ イ ッ
スラー波としてプラズマ中に侵入する（a，b）．ここで，|E⊥| ＝ (E2y ＋ E2z )1/2 は電場の横波成分．プラズマ中心部で定在波が形成されると，縦電場（Ex）が発生しプラズマ中のイオンの運動に大きな影響を与えることになる（c，d）
（参考文
献［２］
図１を改変）．

ま侵入できる．さらに定在波を発生させるために，レー
ザーはターゲットの両側から対向で照射する．ちなみに，

め，サイクロトロン共鳴にも相対論効果を考慮する必要が

直線偏光のレーザーを照射しても，その一部はホイッスある．実際，相対論効果で電子質量が実効的に重くなるこラー波としてプラズマ中を伝播することが可能であるが，とで，磁場強度に関する共鳴条件範囲が拡大し，電子が加我々の解析では磁場の向きに対して右回り円偏光のレー速されやすくなる［１］．つまり，電子は大振幅ホ イッス

ザー光を最初から仮定して計算している．その時の電磁場

ラー波の恩恵を受けて，直接的かつ効率的に電磁波のエネの時間発展の様子を，図１に示す．ガウス波形のレーザー

ルギーを吸収できる．

電場（""）が高密度プラズマに侵入し，中心部（(!!）付

その一方で，ホイッスラー波とイオンの直接相互作用に

近で定在波を形成するまでの一連の様子が見て取れる．こ着目した研究は，過去に遡ってもほとんど見当たらなかっのシンプルな系を特徴付ける無次元パラメータは，それぞ'!!'!!
'#，外部
れの臨界値で規格化されたプラズマ密度 ''磁 場 強 度 !$&%!!$&%!
!#，及 び レ ー ザ ー 振 幅

た．核融合研究では，最終的にイオンを高温に加熱する必#!$の３つのみになる．定在波が発生してい
"!!
#!!%
&$$
#

できる状況が理想的である．この課題を解決する鍵となる

るターゲット中央部で，縦方向（レーザー進行方向）の静物理機構として，我々は，ホイッスラー波の定在波が持つ電場が突如発生しているが，これがイオンを加速する力と興味深い性質に着目している［２，３］．ここで，我々の注目すして働くことになる．イオンへのエネルギー輸送の機構にる定在ホイッスラー波からイオンへの直接的なエネルギー

ついては，次の章で詳しく説明する．

変換過程を簡単に説明しておく．

３．ホイッスラー波による電子・イオン加熱

レーザーが高密度プラズマに侵入できない．また，臨界磁要がある．したがって，ホイッスラー波との直接相互作用の恩恵を，電子を媒介することなくイオンのみが直接享受もし外部磁場が臨界磁場よりも弱い場合には，そもそもホイッスラー波は右回り円偏光電磁波であり，電子とサ場程度の強度になると，サイクロトロン共鳴によって電磁イクロトロン共鳴を起こすことが知られている．電子はこ波のエネルギーは電子に吸収されてしまう．そこで，電子の共鳴によって，効率的に電磁波のエネルギーを受け取る

による共鳴吸収を避けてイオンへの効率的なエネルギー変ことができる．レーザー強度が高い場合には，レーザー電換を実現するためには，臨界磁場よりも十分に高い強度の場によって電子は相対論的速度にまで容易に加速されるた

外部磁場を考慮することが不可欠となる．ホイッスラー波
４２８Commentary

Ultrafast Heating of Ions by Standing Whistler Waves and its Application to Fusion Science

T. Sanoが外部磁場に沿って高密度プラズマ中を伝播する際，ホ

ここで到達できるイオン温度について定量的に見積もっイッスラー波の電場は外部磁場に対して垂直成分のみを持てみる．定在ホイッスラー波による"#!項から，ポンデロ

つ．また，ホイッスラー波の電場強度に応じた速度で，電モーティブポテンシャルは子も磁力線の周りを旋回運動している．しかし，磁力線に

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"&
"&
"
#% '
%$# !$&%!"

沿った方向には，電子が電磁場から力を受けることはな
い．一方，対向照射されたホイッスラー波が重なることで（１）

ンツ力が有限な値をもつことになる．この力は，ホイッス$
は対向ホイッスラー波の振幅でで与えられる．ここで "&'ある．磁場強度が !$&%%"!程度の場合，もし相対論的強度

ラー波のちょうど半分の波長で周期的な構造をもち，時間のホイッスラー波をプラズマ中に伝播させられれば，この的に定常であるという特徴をもつ．これが最も重要なポイ

ポテンシャルエネルギーは 50 keV 以上に相当する．

定在波が発生すると，磁力線方向の "#!項によるローレントである．いま超臨界密度プラズマを考えているので，

イオン温度予測について，もう少し詳しく述べておく．

電子プラズマ振動数は電磁波の振動数よりも十分に大き波数 $& と振動数 !!の対向ホイッスラー波の固有関数は以い．さらに，元々のプラズマの温度が低いと仮定すると，

下のように与えられる．

定在波が発生した瞬間に，電子は周期的な密度粗密を形成する．そして，磁力線方向の縦電場を発生させて，力の釣り合いを取ることになる（図２（a），図３（a））．
次に， この時のイオンの運動を考えてみる（図３（b））．
速度の遅いイオンにとっては "#!項による力は無視できるため，イオンは磁力線方向の正弦関数的な縦電場による力のみを感じて加速される．これによって，イオンの密度分布はこの縦電場を打ち消す方向に変化するが，すぐにまた電子が移動することで，縦電場の値は一定に保たれる（図３（c））．したがって，このプロセスには正のフィードバックが働くことになり，イオンの加速は定在波が存在す
る限り定常的に続くことになる（図２（b），図３（d））．ホ
イッスラー波の振幅が相対論的な強度に近づいてくると，
この加速電場は TV/m に達し，電磁波の振動周期の数倍程度の時間で，イオン波の速度振幅は光速の１％程度まで一気に加速される．加速されたイオンの運動エネルギーがプ
ラズマ不安定などによってすべて熱化すれば，その温度は

図３

100 keV にも達する．すなわち，この「定在ホイッスラー波によるイオン疎密波の励起」と「プラズマ不安定による大振幅イオン波の散逸」がレーザー周期程度の十分に短い時間で実現することで，高密度の核融合プラズマが形成されるのである．

定在ホイッスラー波によるイオンの加速機構を模式的に示している．（a）
まず，電子密度の疎密ができることで定常的な縦電場 Ex が発生し，（b）
その電場でイオンが加速され，イオンの疎密波が励起される．（c）
この縦電場は正のフィードバック機構によって維持されるため，イオン波の速度振幅は時間に比例して増大し続ける（参考文献［３］図１を改変）．

図２ （a）
ターゲット中央部におけるホイッスラー波長スケールでの電場と電子密度分布．図１（c）と同じ時刻でのスナップショット．定在
波中で正弦波的な縦電場の構造がはっきりと見て取れる．
（b）
同じ場所における x 方向のイオン速度の時間発展．矢印は時間進化の向きを示している．イオン音波的な速度構造の振幅が時間と共に増幅し，最終的には波の急峻化が起こっている．ホイッスラー波長の半分程度小さな領域で，イオンが光速の１％にまで加速されている（参考文献［２］
図３を改変）．

４２９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.8 August 2021

2"0% $"0% *1.+
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（４）

（３）

ここで，磁場と電子速度の振幅はそれぞれ !0% $)
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*0"
"0%
と
( "%
"
%
/0
$3
0．
!*10!"+*&!

（５）と書ける．真空中の円偏光レーザーが高密度プラズマに侵入した場合を考えると，プラズマ中でのホイッスラー波の波数は *0 $#*!となり，プラズマ中の電磁波の波長は短くなる．ここで，""#
3,#$!"" 3 ! "!*10!"

図４（６）は屈折率である．ホイッスラー波の振幅も，真空中での電%磁波の振幅 &!を用いて &0&!"#""*と記述できる．定$#)在波中での電子の運動方程式としては，"1")
#*#!*
1(!

定在ホイッスラー波加熱によって達成できるイオン温度のパラメータ依存性．最終的な温度は，３つの無次元パラ〜〜メータ（n0 = n0 /nc，Bext = Bext / Bc，a0）で予測可能である．
プラズマ密度と外部磁場強度が与えられた時の最大イオン
温度をグレイスケールで示しているが，温度はレーザー強度で規格化した値で示していることに注意して欲しい（参考文献［３］
図９を改変）．

という力の釣り合いが成り立つので，結果として発生する
縦電場を式（２）‐（６）を使って求めることができる．

熱されたイオン温度を示している．相対論的レーザー強度

#
#&!
'
+*'
&!
"1(!#
#*!1* （７）
/
+
-)
#
$
# 3
#""*)
!*10!"* ()（&!#"）になると，イオンは 100 keV を超えるような核融合プラズマ温度にまで達することがわかる．この見積もり
は PIC シミュレーションの結果とも非常に良い一致を示し

この電場は同じ周波数の対向波の場合に限り，時間に依存ている［２］．しかし実際には，ホイッスラー波の伝播が定しないという特徴を持つ．この時間的に一定な静電場に在波を形成するよりも前に，誘導ブリルアン散乱や衝突のよって加速される電荷数 %のイオン速度は，初期速度が無効果によって妨げられることも考えられるため
［３，
７］，次

視できれば，の章では具体的な核融合プラズマのパラメータを用いて到達イオン温度を検証してみる．

"1 .
/1+( %(
)!.
-*
，
++

（８）

４．慣性核融合プラズマへの応用と加熱効率と近似できる．すなわち，イオン波の速度振幅は時間に比定在ホイッスラー波加熱のレーザー核融合への応用を考例して増加することになる．この加速は，最終的に波の急えてみる．近年，レーザー核融合の点火デザインの中に外峻化によって飽和すると考えると，その飽和時刻と最大速部磁場によるプラズマ制御の効果を取り入れる例は多く

度はそれぞれ次のように見積もることができる．

［８，９］，新しい研究展開の鍵となっている．例えば，磁場による界面流体不安定や熱伝導の抑制が検討されているが，

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# 3
#""*
!*10!"* ++
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$．
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#
%+*
"&
##&!

（９）

我々の方法は，これらとは全く別の視点からの磁場の活用と言える．
ホイッスラー波を活用することで，磁場閉じ込めとレー

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#

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$&!
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$
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#""*
!*10!"* ++
)
)

（１
０）

ザー加熱を複合した，新しい「磁場閉じ込めレーザー核融合」という新展開が期待できるかもしれない．密度を固体

この時にイオンが持っている運動エネルギーがすべて熱化

密度以上に上げるためにレーザー爆縮をすることで，同時すると仮定すると，最終的なイオン温度の予測は以下の式に外部印加磁場も増幅させることもできる．この時，磁気で表される．

圧はガス圧よりも高くなっているため，磁場閉じ込めプラ#&!
%*($+ #
$
#'
# 3
$)
+*'
!*10!"*#""*)

ズマの状態に近い．その場面で，定在ホイッスラー波加熱（１１）を起こすことができれば，全く新しいデザインの核融合点
火方式となりうる．また，この加熱機構では 100 keV を超3!，外部磁場強度
したがって，イオン温度はプラズマ密度 ,3!*10，照射するレーザーの振幅 &!の関数として決まる．こえる温度も実現可能なため，ターゲットとして水素・ホウの式から，高密度の極限では，到達できるイオン温度が使うことも面白いだろう．このような多種イオンを含む

レーザー強度に比例し，プラズマ密度に反比例することがターゲットで定在ホイッスラー波加熱がどのように進行すわかる．図４は密度と磁場強度をパラメータとした時の加るのか，エネルギー利得が１を超える実験デザインは果た

素反応を期待したアンモニアボラン（化学式は H6BN）を

４３０

Commentary

Ultrafast Heating of Ions by Standing Whistler Waves and its Application to Fusion Science

T. Sano*!*#ある．高密度の極限で，エネルギー利得は &!に比例する

して可能か，などの疑問について整理してみたい．
核融合応用を考える際には，エネルギー利得が最も重要ため，さらなる高利得のためには，高密度圧縮が不可欠とな指標となる．高利得のためにはプラズマの密度をできるいう結論になる．また，この利得計算には爆縮レーザーのだけ高くする必要がある．定在ホイッスラー加熱で達成さ寄与は考慮されていない．もし爆縮レーザーのエネルギー

れるイオン温度は図４に示されている．この図からは，もが加熱レーザーと比べて無視できれば，上の見積もりは妥

しレーザー強度が高ければ，たとえプラズマ密度が固体水当となる．しかし，仮定した２メガテスラは圧力にして素密度よりも高くても 10 keV を超えるような核融合プラ

1018 Pa にも匹敵し，これに対抗して爆縮を実現するには相ズマが形成されることが示唆されている．そこで，別の当のエネルギーを要することになる．これは大きな課題に

レーザーによ っ て爆 縮 さ れ た 状 態 の 重 水 素−三 重水素なることは間違いないが，自己生成磁場を理想的な構造に（DT）
プラズマをターゲットとして考えてみる．我々の考える

制御しながら爆縮・加熱を進めるデザイン設計が可能かど系では一様な強磁場が不可欠な要素のため，磁場に直交すうか，さらに検討することは興味深いと感じている．

る方 向 への円 柱 形 状の爆 縮と相 性 が い い だ ろ う．例 え*!""&!!
ば，３０倍の圧縮を想定して &（&!"1.67×1030 m−3）

一切生成しない核融合エネルギーの開発は，国民の多くがを仮定してみる．図５（a）は爆縮 DT ターゲットに，ホイッ関心を持ちうる重要な研究課題であろう．定在ホイッス

スラー波を対向で照射した時の一次元 PIC シミュレーショ

ラー波加熱というレーザーと磁場とプラズマの新奇な相互ンの結果である．この場合，イオン温度 40 keV にするため作用を活用することで，従来困難であると考えられていたに必要なレーザー 強 度 は %!"#!
（#!"1.09×10 W/cm ）水素とホウ素を燃料とした中性子を発生しないクリーンな程度となった．また，高いエネルギー変換効率の実現のた

核融合反応の実現も視野に入れてみる．

21

安全で安心な未来のエネルギー源として，放射性物質を2

めには，屈折率 $ はできる だ け１に 近 い 必 要 が あるた*')("#!!
（!')("#
め，外部磁場としては !
!
"%メガテスラ）"（8.7 MeV）．
p＋11B !" $（１３）を仮定している．加熱領域はホイッスラー波のパルス長

熱的な pB 核融合反応のピークは 470 keV 付近にあり，DT#００倍!で 決 ま る が，こ こ で は レ ー ザ ー 周 期 の２

反応の 67 keV に対して一桁近く高い．pB 核融合について*!"#!!，すなわち #（#!"106 fs）としている．この場合のイは，レーザー加速陽子ビームを利用した方法なども提案さオン温度の理論予測値は約 140 keV である．このシミュれているが，ここでは熱的な反応率だけを使って大雑把にレーションでは，爆縮された DT コアプラズマのイオン温評価してみる．

度を 40 keV まで加熱することに成功している．

燃料物質としてはアンモニアボランを考えてみる．この

この時のエネルギー利得を概算してみると，

物質は水素密度が固体水素よりも高いために，水素貯蔵物* # % !# *
&
#
"$#
!
&! ! "! !" ! ! "!! "．
"&!! #!
#!! "!

質として注目されている．常温で固体であるため，レー
（１
２）

ザー核融合実験のターゲットとしては非常に魅力的である．この物質に大振幅ホイッスラー波を対向照射した場合となる．定在ホイッスラー波加熱は高密度コアプラズマののプラズマ加熱を一次元 PIC シミュレーションで調べてみ

中心部でのみ起こすことができるため，膨張速度が抑制され核融合反応をより長い時間持続さ せ る こ と が できる

た．ア ン モ ニ ア ボ ラ ン タ ー ゲ ッ ト の 初 期 電 子 密 度 は*!"#&!）として，厚みは 30 μm とし&!"2.79×1029 m−3（&［３］．ここでは，その効果を幾何学的効果!として考慮し202た．照 射 す る レ ー ザ ー の 強 度 は #!"3.94×10 W/cmている．もちろん "#"は，まだ発電炉としては不十分で００レーザー周期），そ（%!""#），パルス長は #!"106 fs（２

図５

定在ホイッスラー波加熱によって生成された核融合プラズマのエネルギースペクトル．
（a）
３０倍圧縮された重水素‐三重水素（DT）
プ
ラズマに，相対論的強度のフェムト秒レーザー（a0 ＝ 20）を対向照射した結果．外部磁場としては２メガテスラを仮定している．
（b）
常温で固体のアンモニアボラン（H6BN）ターゲットに，外部磁場（１メガテスラ）に沿って高強度レーザー（a0 ＝ 10）を照射した結果．どちらの場合も，電子温度よりもイオン温度の方が高くなっている（参考文献
［３］
図１
０を改変）
．

４３１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.8 August 2021+'*)""!!）としている．
して外部磁場は 1.07 メガテスラ（!

実験による原理実証が考えられる．将来的なレーザーイオ

これよりも磁場が弱い場合には，相対論的電子によるサイン加熱実験では，大阪大学レーザー科学研究所の激光 XII

クロトロン共鳴で，電磁波のエネルギーが電子に一方的に号レーザーシステムを利用することを検討している．キャ輸送されてしまう．図５（b）に最終的なプラズマ粒子のエ

パシターコイルとよばれる特殊ターゲットにレーザーを照ネルギースペクトルを示している．電子温度が 2.4 keV 程

射して，電流駆動の強磁場を発生させる．ただし，現状で度なのに対し，陽子，ボロンイオンはそれぞれ 190 keV，

１０キロテスラ以上を実現するのは不可能なため，実績のあ450 keV にまで達している．したがって，この場合もホる数キロテスラの磁場を想定している．波長１０ミクロンのイッスラー波を活用して pB 核融合プラズマの生成は原理

炭酸ガスレーザーを持ち込むことで，この磁場強度でもホ的には可能であることを示すことができた．

イッスラー波を作り出すことが可能である．おそらく，最典型的なプラズマ体積"と持続時間#を用いて "粒子の初の実験目標としては，ホイッスラー波の伝播過程を確認

発生率を概算してみるとすることになる．磁場強度が１キロテスラの場合には，ホイッスラー波と固体中の電子との相互作用の結果，サイク

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（１４）

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ロトロン共鳴加熱が起こる．その場合，電子がレーザーエ
ネルギーのほとんどを吸収し，電子のみが高温に加熱され

#

（１５）

る．そして，固体表面に強い電場が発生することでイオンが加速される．この時の電子温度や加速イオンのエネルとなる．ここでは，イオン温度は 400 keV，核融合反応率をギーを計測することで，ホイッスラー波とプラズマとの相−22
m3/s として評価している．実際には核#%%$(! #3.9×10
融合反応で発生した "粒子による連鎖的な反応促進などで互作用の検証になると考えている．

反応率は上がることが見込まれる．しかし，エネルギー利

ホイッスラー波の波長に依存する．高強度レーザーを想定

得としては残念ながら非常に低い値になるため，核融合デした波長１ミクロンで１
００キロテスラに相当する磁場は，我々のイオン加熱機構に必要な実効的な磁場の強度は，ザインとしてはまだまだ解決すべき課題が多いと言わざる

波長１センチメートルでは１テスラとなる．ITER などのを得ない．爆縮や自己生成磁場の効果を絡めたデザインのトカマクプラズマで使われる５テスラの磁場を利用して，最適化が今後の検討課題になるであろう．まずは，固体の磁力線に沿った方向にホイッスラー波を励起できれば，磁アンモニアボランと高強度レーザーを用いた "粒子のコン

場閉じ込め核融合プラズマのイオンを加熱できるかもしれパクトな発生機構として期待してもいいかもしれない．

ない．また，惑星磁気圏で観測される波長 100 km を超える
ホイッスラー波と，ナノテスラの惑星間磁場でも相似的な５．まとめと今後の課題

現象が十分に起こりうる．これらの例だけに留まらず，パレーザープラズマを用いてキロテスラを超える強磁場をルサーなどのコンパクト天体周辺における輻射とプラズマ発生・制御することができるようになってきた．このようの相互作用への応用なども可能であると考えており，「強な強磁場を応用した実験を検討するためには，強磁場中に磁場中での波動粒子相互作用」をキーワードにした学際的おけるレーザー・プラズマ相互作用という基礎過程を理解な展開を積極的に進めていきたい．

する必要がある．もちろん磁化プラズマ中の電磁波の特性

参考文献

は数多く研究されてきているが，相対論的強度のレーザーとの相互作用など，まだまだ面白い問題が残されている状から，爆縮された高密度 DT 燃料プラズマにホイッスラー!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

用した，臨界密度を超える高密度プラズマ中での効率的なイオン加熱過程を発見した．この機構の最も重要な特徴
は，電磁波のエネルギーが電子を介することなく直接イオンに輸送されることである．この利点を生かして，レーの実現が確認されている．さらに，水素とボロンを含む
ターゲットを熱的な pB 核融合反応が可能な数 100 keV に
加熱することも原理的に可能であることも示した．今後は，将来的に実験可能なより現実的なシステムデザインの構築や，実験を模擬するような多次元幾何学構造の元での加熱実現性などを調べることが理論シミュレーションの課
題になるであろう．
また，もう一つ重要な研究アプローチとして，レーザー

さ

の

たか よし

佐野孝好

大阪大学レーザーエネルギー学研究セン
ター助教．博士（理学）．１９９８東京大学大学
院理学系研究科天文学専攻博士課程修了．
その後，国立天文台，メリーランド大学，
ケンブリッジ大学でのポスドク研究員を経て，２
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３年より現
職．最近の主な研究分野は，強磁場中のレーザー・プラズマ
相互作用や界面不安定の数値実験．

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波を照射することで数 10 keV を超えるようなイオン温度!!!!!!!!!!!!!!

ザー駆動慣性核融合の新しいプラズマ加熱機構としての有!!!!!!!!!!!!!!

用性を検討している．簡単な数値シミュレーションの結果［１］T. Sano et al., Phys. Rev. E 96, 043209 (2017).
［２］T. Sano et al., Phys. Rev. E 100, 053205 (2019).
［３］T. Sano et al., Phys. Rev. E 101, 013206 (2020).
［４］T. Sano et al., Phys. Rev. E 102, 053214 (2020).
［５］S. Fujioka et al., Sci. Rep. 3, 1170 (2013).
［６］M. Murakami et al., Sci. Rep. 10, 1 (2020).
［７］M. Hata et al., submitted to Phys. Rev. E.
［８］S. Fujioka et al., Phys. Plasmas 23, 056308 (2016).
［９］S. Sakata et al., Nat. Commun. 9, 3937 (2018).

況である．我々は対向ホイッスラー波のつくる定在波を活４３２