ユニットテーマの軸「装置学・技術」公聴会
2022年3月3日(木)ユニットテーマ『ミュオンと核融合科学の融合』

軸素過程・相互作用軸

装置学・技術岡田 信二（中部大学）

核融合としての課題

2○ 核融合のテーマとして何にチャレンジするか？
Muon Catalyzed Fusion『ミュオン触媒核融合 (μCF)』という新しい核融合をテーマに、核融合研究の基盤拡充にチャレンジ○ 背景： 近年、ミュオン触媒の効率を引き上げる

新たな素過程の可能性「In-flight μCF」(IFμCF)が、理論的に見いだされた。

○ 課題： IFμCF 素過程の検証、及び、効率的なμ生成・μCF標的に関する技術基盤開発

学際的な特徴付け（何の研究か?）
素粒子「ミュオン」の持つ、以下の３つの特異な性質を利用した多彩な学際領域研究：①量子的性質 , ②強い結合力 , ③高い透過力
1. 人工的に生成

2. 上空から常に降り注ぐ粒子加速器により大強度のミュオン生成が可能

高い透過力があり地表まで届く加速器

宇宙線৉ૉপਞधഌຬ଍भખૢᏱᐂ⥺䠄୰ప䜶䝛䝹䜼䞊䠅Ᏹᐂ⥺䠄ప䜶䝛䝹䜼䞊䠅K⢏Ꮚ୰ᛶᏊᏱᐂ⥺䠄㧗䜶䝛䝹䜼䞊䠅ʌ⢏Ꮚ
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例：J-PARC加速器施設
The 25th J-PARC PAC

ミュオン䝭䝳䞊䜸䞁୰ᛶᏊ䝙䝳䞊䝖䝸䝜ཎᏊ᰾䝅䝱䝽䞊㟁Ꮚ䞉㝧㟁Ꮚミュオン䝭䝳䞊䜸䞁3

学際的な特徴付け（何の研究か?）
素粒子「ミュオン」の持つ、以下の３つの特異な性質を利用した多彩な学際領域研究：①量子的性質 , ②強い結合力 , ③高い透過力①

ミュオン
原子・分子科学

物質科学に普遍的に潜在する原子分子過程の研究

素過程・相互作用

軸

②

ミュオン
触媒核融合

新たなμCF過程(IFμCF)、及び、これを高める反応場の研究

装置学・技術③

宇宙線ミュオン
応用

革新的宇宙天気予報
を目指した
宇宙線ミュオンの応用研究

軸4

アプローチ5① ミュオン原子・分子科学(a) 革新的分光技術の導入(b) 新しいミュオン原子分光手法(c) ミュオン『分子』高精度分光装置学
・技術
素過程・相互作用

(a) 革新的分光技術の導入(FWHM ~ 150 eV)Transition Edge Sensor
R0~50 mΩ優れたエネルギー分解能と検出効率を併せ持つ検出器(FWHM ~ 5 eV)@ ~ 6 keV

高感度温度計X線 TESTES microcalorimeters
1. 入射粒子が吸収体に吸収される
2. エネルギーΔEはフォノンに変換
3. 僅かな温度上昇を高感度温度計
TESで測定する

吸収体

常伝導状態
抵抗 R0/Rn

従来の検出器 (SDD)

TESマイクロカロリメータ

6粒子(光子)の入射バイアス点

超伝導状態

急激に抵抗増加
抵抗変化(バイアス電流)の変化をSQUIDで読み出す

僅かな温度上昇
温度 T [mK]

ヒートシンク

高分解能を実現 (ΔE / E ~ 10-3)(b) 新しいミュオン原子分光手法(c) ミュオン『分子』高精度分光

素過程・相互作用軸アプローチ7② ミュオン触媒核融合(a) ミュオン源
大強度ミュオンビーム

μ-(b) ミュオン標的(c) 素過程の理解

高密度・定常循環ntdμ-(a) ミュオン源開発 (イオン源/加速器)(b) μCF標的開発 (定常循環型標的)(c) 素過程に関する理解

4He

軸装置学・技術

素過程・相互作用

(a) ミュオン源開発
ミュオンの生成（従来の手法）
pイオン源

加速器により数GeVの陽子ビーム集めてビームにするπ-8π- は途中で崩壊しμ-になる

μ最終的に減速させ

標的 (12C)

標的に静止させる

μCFのためのミュオン源： (1) 大強度(2) 低コスト(μ-生成) → 高効率(3) エネルギーの揃ったビーム✓ 大強度ビーム用イオン源（NBIチームとの連携）✓ 粒子加速の新技術を導入（レーザー加速も検討）✓ ミュオン生成法の再検討

(b) μCF標的開発 (定常循環型標的)○ μCFのための標的：(1) 重水素と三重水素の混合標的(2) 高密度（μ-を効率的に標的中に静止させるため）

課題番号〇〇(3) 反応生成物 (4He) の除去

負ミュオンを⽤いた持続的エネルギー⽣成技術→ 従来、μCF用の標的は、固体・液体が利用されてきたミュオン触媒核融合研究の新展開
カテゴリー: A2, A3, B9, B15

循環型の標的を提案

⽬指すもの(output)︓
マッハ衝撃波緩衝領域 (中空⾶⾏中ミュオン触媒核融合の実証
⾼効率なエネルギー回収を可能とするガスに浮いた高密度領域) を利用
循環型ミュオン触媒核融合炉の実現
波及(outcome)︓プロトタイプの製作/試験を実施
クリーンで持続的エネルギーの⽣成
LLFP 低減・資源化

衝撃波発⽣器
衝撃波集中点
4 He

ラバール
ノズル

ミュオン
⼊射

μ- + Tμ- + D

TnμD

ピーク
10〜30気圧
超⾳速流域

亜⾳速流域
1気圧

ミュオン
触媒核融合

全⻑10m

亜⾳速流域

9(c) 素過程に関する理解
従来（Vesman 機構）

tμ(1s)

10

新たな素過程 (IF-μCF)tμ*

μ-dtμ* 分子共鳴状態(2s, 2p混合状態)

μ-dt
dt fusionμ-分子内で核融合dt

解離

1 keV tμ原子tμ(1s)

μ-dt
10000

In-flight μCF : 高い断面積tɤ + d → 4He + n + ɤ + 17.6 MeV

n4Heμ-

他のD2ガスに衝突し高い断面積で「In-flight」による核融合を起こす

反応断面積 [barn]

1000
100
D + T → 4He + n + 17.6 MeV

1010.10.01

0.1110100
衝突エネルギー [keV]1000

AIP Conference Proceedings 2179, 020010 (2019)

IF-μCF 素過程の研究
従来のμCFサイクル

11断熱近似を脱却した新しい少数多体系計算: (dtμ*)e → 電子も含めた4体計算

tµdµ2.0

ct = 0.1

ct = 0.2

ct = 0.4
VM

α+n+µ

新しいμCFサイクル
dµ*EVM-SPM-FIF

EVM-SPM-FIF

0.5

EVM-SPM VM-SPM-FIF

EVM-SPMEVM-SPM

VM-SPM-FIF

VM-SPM-FIF

0.0

ct = 0.5

2.0

EVM-SPM-FIF

ct = 0.7

ct = 0.8

1.5
VM

1.00.5tµ*IF
M-F-SP
M
EV

1.0

VM-SPM-FIF

−1

αµ+n

VM

EVM-SPM-FIF

PM-S
EVM
VM

EVM-SPM-FIF

EVM-SPM
VM-SPM-FIF

M
-SP
EVMVM

˙dtµµCF cycle

VM1.5

Normalized cycle rate (108 s–1)

µVM-SPM-FIF

0.0dµtµ0IFµCF cycleµµCF cycle

αµ+nα+n+µdtµ200400600

800 0200400600

Temperature (K)dtµ*hot dµhot tµ

800 0200400600800

論文投稿済（東北大：山下・木野 他）
FIG. 3

FIG. 2. Normalized
cycle rates calculated in this work are compared
従来のμCFサイクルでは説明できなかったwith experimental results (◦ [10], " [3], ! [9], # [22]) as a function
反応速度の温度依存性を説明することに成功！
of temperature.
The shade range is drawn in the vicinity of 0.1 ≤Υt ≤ 0.9 (the solid line corresponds to Υt = 0.5).

直接的な実験検証を目指す

kinetithe fupopu(ddμ* 精密分光実験はその第一歩)injec

アプローチ12③ 宇宙線ミュオン応用(a) 宇宙天気（新たな宇宙天気観測の開拓）

軸・技術装置学

(a) 宇宙天気（新たな宇宙天気観測の開拓）
プラズマ速度：700 km/s —> 2.4日（光速 ~8分）

IMF = Interplanetary Magnetic Field

核融合研究にて飛躍的に発達した複雑磁場研究成果を活用 → 創発的発展

13

学際的展開ミュオン触媒核融合(μCF)

14

ミュオンの持つ特異な性質：

核融合の意義核融合科学の基盤強化
共通焦点

核融合科学

μ1. 量子的性質
2. 強い結合力
3. 高い透過力

ミュオンを用いた多彩な分野への拡がり
焦点

エキゾチック原子分子科学
新しい分光学

災害予知・宇宙天気独自性・優位性など

15

国際的に極めて優位な位置にある：
๏理論：「少数多体量子理論・原子分子データベース」
๏実験：「超伝導検出器を用いたビーム実験研究・宇宙線ミュオン研究」
๏工学：「イオン源 (NBI)・レーザー加速研究」
を最大限に活かし、新規領域を開拓する。
✓素過程・相互作用
２つの軸：
にて提案。
✓装置学・技術
近年、IFμCF という新過程の可能性が拓かれ気運が高まってきた。
「原子分子研究」と「μCF 研究」を、NIFSユニットにおいて同時に進めることでシナジー効果が得られ、新しいμCF過程をはじめとする、「核融合研究を豊かにする」革新的な研究を世界に先駆けて展開する。