ユニットテーマ軸「装置学・技術」公聴会
2022年03⽉03⽇（⽊）14:30 – 17:30, オンライン

１．ユニットテーマ名(仮和名)プラズマ装置⼯学(仮英名) Technology and Engineering of Plasma Apparatus
関連する当初のユニットテーマ提案：UT-8、UT-13、UT-16、UT-29

中野 治久（NIFS）
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アウトライン（ユニットテーマ提案書に沿って）
1. ユニットテーマ名
2. 核融合科学としての課題
3. 学術的な位置付け
4. 定式化・アプローチ
Ø 概要
Ø 例１【装置の⾼度化】負イオン源
Ø 例２【他分野への展開/新分野創⽣】反物質プラズマ
Ø 例３【他分野との融合】ミュオン触媒核融合
5. 学際的展開
6. 独⾃性、優位性
l 個別説明：反物質プラズマ
l 個別説明：ミュオン触媒核融合/ミュオン天気予報

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２．核融合科学としての課題（１）
超⾼強度レーザー

燃料供給装置燃料ペレット導⼊装置
重量構造の最適化

⾼温壁
ダイバータ
プラズマ輸送NBI
ECH

低温/超伝導計測器

ブランケット・・・ etc.

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。本テーマの核融合科学としての課題として、核融合装置に付属する個々の装置を実現するための学問的知⾒を深めるとともに基盤技術を確⽴する。
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２．核融合『科学』としての課題（２）
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、その機能とはたらきに着⽬して、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・核融合科学および炉開発以外の分野の装置へと展開・融合を図る。

核融合科学

プラズマ科学
プロセスプラズマ
プラズマバイオ

基礎プラズマミュオン科学

スラスター

宇宙・天体プラズマ

反物質科学

プラズマ
装置学・技術素粒⼦/宇宙物理学

・・・ etc.
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３．学術的な特徴づけ
8

温度：〜7桁Fast ion flux [arb. units]

7DLP measurement
NPA meaasurement
dB/dt

6200

NASA150

NIF

100

Nagaoka+, NF

50

Kitano Lab. (阪⼤)CHS 231743

543
2
10
0
121.0121.5122.0122.5123.0123.5124.0124.5125.0125.5126.0126.5127.0

Wirth+, JNM

time [msec]

密度：〜28桁
星間プラズマ、恒星、磁気圏プラズマ、プラズマ応⽤機器のプラズマ（磁場/慣性閉じ込めプラズマ、プロセスプラズマ、⼤気圧プラズマ等）、物質反物質プラズマ等
l 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。
l エネルギーの流出⼊、発⽣、散逸。
l 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。
l 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。
p 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、予測。
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３．学術的な特徴づけ
l 宇宙・天体プラズマ研究l プラズマ物性基礎研究
l 核融合科学を始めとしたプラズマ応⽤研究

計測

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

実験

理論、シミュレーション、最先端 +α の実験装置
プラズマ・核融合科学実験で培ってきた最先端の装置技術（物理/化学/⼯学/等の科学に基づく計測と制御およびそれらの組み合わせ）を更に⾼度化する。
これら装置技術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。

NASA, U. Tokyo, Tohoku U., Nagoya U.

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４．定式化・アプローチ
最先端の学問的知⾒の深化

極限技術の開拓l プラズマ物理/応⽤⼯学
l ビーム物理/⼯学
l 光/レーザー科学l 原⼦分⼦科学
l 電気電⼦⼯学（電⼒⼯学、電磁波⼯学を含む）
l 放射線科学l 材料⼯学l 極低温物理・超伝導⼯学
等

l 真空技術l プラズマ・荷電粒⼦⽣成/閉じ込め/輸送/制御技術
l 粒⼦/エネルギー循環技術
l ⾼電圧技術l レーザー技術l 電気/電⼦/電⼒/電磁波技術
l 超伝導技術l 各種検出・計測技術
等

磁場/慣性閉じ込め装置

NBI
RF負イオン源（メンテナンスフ
リー/Csフリー/マルチイオン/⼀様/⼤電流/低発散⾓、定常等）、
光中性化、電⼒回⽣ 等

プラズマ装置燃料ペレット⼊射装置

単に既存技術の統合を第⼀とするのではなく、レーザープラズマ装置

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（⼀般化）、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

⼤気圧プラズマ装置

ECH
マルチ周波数発振、リモートステアリング 等

プラズモイド⼊射装置

プロセスプラズマ装置
基礎プラズマ装置

⾼度化

プラズマバイオ装置

・・・etc.

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
ミュオン触媒核融合
アクシオン探査・・・etc. 7 /12
科学の新展開を追究する。 反物質プラズマ装置

４．定式化・アプローチ（例１）【装置の⾼度化】NBI⽤RF負イオン源の⾼ビーム電流密度かつ低発散⾓ビーム化
NIFS-RNISのFA/RFハイブリッド放電化〜FA放電
ITER requirement: < 7mrad

LHD-NBI⽤FA負イオン源
達成値

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

PlasmaBeam

PG

ペアプラズマ類似
イオン性プラズマ（正負⽔素イオンの他に、僅かに電⼦やCsが含まれる）

M/B

PG

RF放電
PlasmaBeam

ITER-NBI開発⽤
RF負イオン源l 負イオンの輸送
l プラズマの時空間構造
l ビームの時空間、位相空間構造
l プラズマとビームの相関l 磁場があるイオン性プラズマのChild Langmuir則 等？

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４．定式化・アプローチ（例２）【他分野への展開/新分野創⽣】反物質プラズマ装置/ペアプラズマ装置
l 反物質プラズマ⽣成装置

低温/超伝導技術

パルス陽電⼦源
107 e+/s, 10eV

e- - e+plasma~10usで入射（既存）
産総研・リニアックベース陽電子源

2020 Higaki+ Appl. Phys. Exp.

>1010 e+1011-12 m-31010-11 e+

反物質ペア
プラズマ生成陽電子の前段蓄積，高速パルス引き出しl ペアプラズマに類似の⽔素イオン性プラズマ⽣成装置

磁場トラップ技術、真空技術他

Oohara+ AIP Advancesl 反物質科学への展開
l ペアプラズマ科学の創⽣
Ø シミュレーションから実験へ。
Ø 物性研究から利⽤（応⽤）へ。
l NBI技術を基盤とした⽔素ペアイオンプラズマ⽣成装置

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４．定式化・アプローチ（例３）【他分野との融合】新概念核融合炉：ミュオン触媒核融合、ミュオン分光技術

NBIとの連携

ミュオン科学と核融合科学の融合

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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。
他分野の情報収集しながら動向を意識して研究を進める。
l 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
l 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
l 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
l 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
l 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

アクシオン（暗⿊物質の候補）

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６．独⾃性・優位性
l 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に優位性を持つ専⾨家集団である。
Ø 例として、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。
l 例として挙げた、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。
l 本テーマで取り扱う装置には、お互いに重なり合う科学および技術を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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