ユニットテーマ軸「装置学・技術（Plasma device）」のユニットテーマ提案書
2022 年 2 ⽉ 22 ⽇
1．テーマ名プラズマ装置⼯学 （（英名案）Technology and engineering of plasma apparatus）
2．核融合科学としての課題
核融合科学研究（核融合プラズマが関わる物理、超伝導材料を含む核融合材料および機器制御・運⽤等の研究）には、実現性や経済性を含む前⼈未踏の性能が要求される装置群が必要であり、核融合炉開発では更に⾼い性能が求められる。本テーマにおいて、これら装置群を実現する学問的知⾒を深めるとともに基盤技術を確⽴する。科学と技術には、細分化され個別の対象に向けて発展してきた分野の知と技を、その機能と働きに着⽬して、他分野への展開や融合、または新分野の開拓が求められている。本テーマの研究で得られた装置技術や、実現するために得られた学問的知⾒・⼿法を、プラズマ・核融合科学および核融合炉開発以外の分野の装置へと展開・融合を図る。
3．学術的な特徴づけ（何の研究だと⾔えるか）
プラズマ科学では密度で約 28 桁、温度で約 7 桁に及ぶ領域、すなわち星間プラズマからコロナ、プラズマ応⽤機器のプラズマ、レーザー⽣成プラズマ、恒星中⼼のプラズマ、物質反物質プラズマ等を対象とする。現状、実験室では、密度は 10 桁強であるが温度は同等の領域を扱うことができる。ここでは、エネルギーの流出⼊、発⽣、散逸がある中で、パラメータ領域に応じた化学反応過程や原⼦分⼦過程、核反応過程等の様々な反応過程が起こり、荷電粒⼦群の集団現象として静電磁場によるプラズマへの作⽤、電磁波動を含む変動電磁場とプラズマとの相互作⽤、光とプラズマの相互作⽤、物質とプラズマの相互作⽤等の作⽤がはたらき、これらが複雑に絡み合った輸送、拡散、粘性、乱流、構造形成、線形・⾮線形現象等が出現する。また、⾼電流密度ビームを含む⾮中性プラズマや正負電荷粒⼦が質量対称性をもつペアプラズマでは特異な性質が観測もしくは予測されている。プラズマ物性基礎研究、宇宙・天体プラズマ研究および核融合科学を始めとしたプラズ
マ応⽤研究を更に推進するためには、如何にプラズマ物性を理解して計測・制御し、対象とする科学の本質を抽出するかが重要となる。このために、本テーマではこれまでプラズマ・核融合科学実験で培ってきた最先端の計測・制御技術を更に⾼度化する。合わせてこれらの⼿法を応⽤して⾃然科学（応⽤科学を含む）の深化に質的変化もたらす⼿法および⾃然科学の新展開を追究する⼿法を探求する。
４．定式化・アプローチ
プラズマ装置は荷電粒⼦集団を制御する装置であるが、プラズマ核融合科学では、最先端の学問的知⾒（プラズマ物理/応⽤⼯学、ビーム物理/⼯学、光/レーザー科学、原⼦分⼦科学、電気電⼦⼯学（電⼒⼯学、電磁波⼯学を含む）、材料⼯学、極低温物理・超伝導⼯学等）およびこれらに関連する極限技術（真空技術、プラズマ・荷電粒⼦⽣成/閉じ込め/輸送/制御技術、粒⼦/エネルギー循環技術、⾼電圧技術、レーザー技術、電気/電⼦/電⼒/電磁波技術、超伝導技術、各種検出・計測技術等）を開拓しつつ、それらを駆使してプラズマ制御を⾏ってきた。本テーマでは、更なるプラズマ装置の⾼度化を着実に進めると同時に、これらの基盤学問分野および技術の発展に寄与する。プラ
ズマ装置の⾼度化は、単に既存技術の統合を第⼀とするのではなく、装置を個別要素に分解してその仕組みを科学的に理解し、この理解に基づいた最善の⼿法に個別要素および装置を再構築することによって実現する。また、他分野に対する知⾒を広め、プラズマ核融合分野で培ってきた最先端
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の学問的知⾒と極限技術をテクノロジードライバとして、他分野との連携・協奏によって⾃然科学の深化に質的変化をもたらすと同時に⾃然科学の新展開を追究する。本テーマでは NIFS を始めとした全国、世界各地にある既存および新規プラズマ装置をアプローチ（プロジェクト）の対象とするが、以下に代表的なプロジェクトについて説明する。
l［既存装置の⾼度化］中性粒⼦ビーム⼊射装置（NBI）⽤負イオン源
放電の物理、原⼦分⼦科学、プラズマ物質相互作⽤の科学、負イオンプラズマ科学、ビーム物理、真空技術、除熱技術、荷電粒⼦制御技術、⾼電圧技術、⼤規模装置取扱技術、数値計算技術等を駆使した装置である。直流（FA）-⾼周波（RF）ハイブリッド⼤型負イオン源を⽤いて、プラズマ⽣成から⾼密度負イオン⽣成、ペアプラズマ様プラズマからのビーム引出・形成に関わる FA と RF の物理的類似性と相違性を明らかにし、⼤型 RF 負イオン源から⾼ビーム電流密度かつ低発散⾓をもつ⼤⾯積ビームの実現に向けた学問的知⾒を深めるとともに基盤技術を構築する。また、この学問的知⾒と基盤技術を他のプラズマ装置や他分野への展開を図る。

l［他分野へ展開/新分野の創⽣］反物質プラズマ/ペアプラズマ⽣成装置
プラズマ核融合科学の荷電粒⼦制御の物理的知⾒と制御技術および超伝導磁⽯技術を駆使して、希少粒⼦である反物質を含む粒⼦から構成される反物質プラズマの安定捕獲を実現する、新概念に基づく軸対称かつ⼩体積閉じ込め配位をもつ装置を開発する。反物質プラズマの⼀種である電⼦陽電⼦ペアプラズマ物性研究に対する先⾏研究⽤装置として、NBI 技術を基盤とした新概念に基づくペアイオンプラズマ⽣成装置を実現する。

l［他分野との融合］新概念核融合炉︓ミュオン触媒核融合（µCF）装置
プラズマ・核融合科学の学問的知⾒と極限技術（原⼦分⼦科学・プラズマ・⽔素同位体取扱技術・NBI・レーザー加速）との融合により μCF 触媒効率の検証等を実施する。

５．学際的展開
学際的展開⾃体が本テーマの⼆⼤要素のひとつである。例えば、通常のプラズマから反物質プラズマへ拡張による反物質科学への展開、⾼エネルギー天体現象の素過程を理解する上で重要な電⼦陽電⼦ペアプラズマの実験的物性研究および更にこの基礎研究となるペアイオンプラズマ物性研究による宇宙物理学への展開、μCF を通したミュオン科学/原⼦核物理学/原⼦分⼦物理学への展開、μCF 装置に関連して超流動ヘリウムによる⾵洞実験も可能な⾼レイノルズ数流体物理学への展開、ミュオン科学と複雑磁場中の荷電粒⼦運動研究との融合による地球惑星科学/宇宙天気予報への展開、および極低温物理/⼯学および⼤型プラズマ閉じ込め装置で培った⼤型⾼磁場超伝導装置技術を駆使したアクシオン探索による素粒⼦/宇宙物理学への展開等、様々な分野へ展開を図る。
６．独⾃性・優位性など
NIFS はプラズマ・核融合科学関連装置の知⾒と技術において世界的な優位性を持つ 1 機関である。なかでも NBI 研究について、NIFS は ITER 機構や QST 等との研究を実施中もしくは実施協議中であるなど世界をリードする機関のひとつであり、NBI 研究をする上で基盤施設を有するとともに世界で唯⼀の FA-RF ハイブリッド⼤型負イオン源を整備中であるなど世界的に特異な優位性を保持している。反物質プラズマ/ペアプラズマ⽣成装置、μCF 装置およびアクシオン探査については、プラズマ・核融合科学の知⾒、プラズマ・核融合科学研究の中枢研究所として NIFS および共同研究先⼤学が持つ技術、施設および新概念に基づく研究であり、優位性および独⾃性をもつことは明らかである。代表的なアプローチは、科学および技術を⼀部共通の基盤としているため、これらをひとつのユニットとして実施することで相乗効果が期待できる。
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