1．はじめに
ITERや原型炉といった将来の磁場閉じ込め核融合炉において,プラズマによる膨大な熱の流入が想定されるダイバータ前面での熱流束の低減は,炉の健全性確保のための極めて重要な課題である. プラズマ–中性粒子相互作用を利用して気相中でプラズマを中性化し,熱負荷を著しく低減する"プラズマ非接触化（デタッチメント)"現象は,ダイバータ熱負荷問題を解決する切り札として期待され,これまで多くの実験・シミュレーション研究が行われてきた[1].このとき,ダイバータ板前面で生成される“非接触プラズマ（detached plasma)”について,本プラズマ・核融合学会誌においても,これまで多くの関連記事が掲載されている[2-7].最初に，環状装置における非接触化過程の概略をいくつかの専門用語とともに述べる.炉心領域周辺の電子密度が低いとき,ダイバータ板へと流入するイオン粒子束は低く，結果，リサイクリング粒子（材料表面における表面再結合過程により生成される中性粒子）も少なくなる。この状態を“低リサイクリング状態”と呼び，中性粒子との相互作用は主要な物理過程とならず,ダイバータプラズマは高温（数十eV）低密度となる.ここから周辺電子密度が増加すると,ダイバータ粒子束が増え,リサイクリングが活発となる.この状態を"高リサイクリング状態”と呼び、ダイバータプラズマは低温（10 eV程度）高密度となる.さらに,炉心周辺の密度が上がってダイバータ粒子束が増えるか,ダイバータ近傍の燃料ガスバフを増やす,あるいは希ガス・窒素などの不純物ガNagoya University, Nagoya, AICHI 464-8603, Japanスバフを行うと,中性粒子や不純物との相互作用により電子温度は数eV程度以下まで低下し, "非接触状態"ヘと遷移する. 非接触化は通常, プラズマ温度の低下に伴うダイバータ熱負荷の低減.磁力線に沿ったプラズマ圧力の低下,体積再結合過程によるイオン粒子束の減少をもって定義される.完全な非接触状態では,ダイバータプラズマがダイバータ板から離れ,ダイバータの幾何形状により圧縮された中性ガスがプラズマ前面（フロント）にしみ込んで電離進行領域（電離フロント(ionization front））を形成し、その下流側（ダイバータ板に向かう方向）に再結合プラズマが生成される. このような非接触状態と対比して、ダイバータ板にプラズマが接続する状應を"接触状態",このとき生成されるプラズマを"接触プラズマ（attached plasma）”と呼び.これは電離進行プラズマである. 低リサイクリング状態と比べ, 高リサイクリング状態や,とりわけ非接触状態では,中性粒子の役割が極めて重要となる.これまでに環状装置では, 実験結果の物理的考察を客親的に検証することを主な目的として，核融合実機と同形状の計算メッシュを用いて,プラズマ輸送と中性粒子輸送を交互に計算し、炉心領域周辺～ダイバータプラズマの定常解を求める統合輸送コードが複数開発されてきた(SONIC[8], SOLPS[9], EMC3-EIRENE[10]など).過去に実施された実験－シミュレーションの比較研究ではは、低リサイクリング条件では概ねよい一致が見られる一方. 高リサイクリング状態や非接触状態ではダイバータ粒子束評価などで十分な精度が得られていないことがauthor’s e-mail: h-tanaka@ees.nagoya-u.ac.jp問題となっている[11-17].将来装置の設計では,ダイバータ熱負荷を工学的許容値以下に抑えられるか否かは,数値シミュレーションを元に予測・判断されることとなる.また, ITER・原型炉やその先の商用炉において，装置故障によるインバクトは既存装置の比ではない. 『非接触ダイバータプラズマ実験を，高い再現性をもって計算可能なシミュレーションコード』を確立することが、信頼性ある炉設計を実現するための必須の条件となっている.非接触プラズマの難しさは,多様な粒子種・粒子状態・エネルギー状態の荷電粒子（原子イオン,分子イオン,不純物イオン）と中性粒子（原子,分子,不純物粒子)が混在し,それらを取り囲む固体壁とも相互影響することに由来する.多数の物理モデルやデータベースが組み合わされ,また影響の小さいと考えられる過程は簡略化されることで，一つの統合輸送コードが構築され，数値シミュレーションが可能となる. 2018年に取りまとめられたダイバータ物理検討WG報告書[18]では，精査が必要とされる物理過程が多岐にわたり挙げられている.非接触プラズマの実験再現精度と関わる物理過程を二つに大別する.一つは、ダイバータ粒子束とも関係の深いドリフトやプラズマ流,中性粒子輸送と密接に関わるダイバータ形状など，①磁場配位や幾何形状に強く依存する物理過程である.この精度向上を果たすには、核融合実機（もしくは類似配位・形状装置）をモデルとしたシミュレーションコードによる実験比較検証を進めていくより他にない。もう一つは、分子イオンの寄与や，振動・回転励起，弾性・非弾性衝突といった, ②原子・分子過程などの茶過程である.この①②の過程は，核融合実機環境では複合的に影響しあうことから、どちらがどの程度の影響をもたらしているかは明らかでない．理解を加速するには現象の切り分けが不可欠であり，特に②の検証には，単純な幾何形状装置を対象とした実験・シミュレーション比較研究を遂行することが効果的であると考えられる.とりわけ.直線装置は実験柔軟性と高い放電再現性を有し、多様な計測装置を少ないポート制約のもと設置可能なことから.これまでに非接触プラズマに関する多くの研究成果をあげている[19].近年，環状装置用に設計された統合輸送コードを直線装置に適用する試みが世界的に展開されている.プラズマ流体コードB2もしくはB2.5と中性粒子輸送コードEIRENEを統合したSOLPS（B2-EIRENE, B2.5-EIRENE）[9]は、様々な装置への適用実績をもつ．直線装置PSI-1[20]に適用された後,ヘリコン液プラズマ源をもつ直線装置MAGPIE[21]やProto-MPEX[22]において，実験比較を通じた径方向輸送理解のために用いられている. ITERダイバータ級のプラズマ生成が可能なことで知られる超伝導カスケードアーク放電装置Magnum-PSIの設計[23]や、超伝導ヘリコンプラズマ装置MPEX設計時の熱負荷評価にも用いられている[24].共鳴摂動磁場を印加したトカマク配位やLHDなどのヘリカル装置,またスノーフレークダイバータなどの先進ダイバータ配位のプラズマ計算に利用される３次元統合輸送コードEMC3-EIRENE[10, 25-27]は，直線装置の3次元的なターゲット概造（斜めやV字）の影響を調べる目的で，MPEX[24]や直線装置NAGDIS-II[28]への適用が行われている. また最近は核融合科学研究所河村氏により，体積再結合モデルの組み込まれた最新のEMC3- EIRENEコードの適用がNAGDIS-IIにて行われているほか、筑波大学ではタンデムミラー装置GAMMA 10/PDXへの適用が進められている.オランダDIFFER研究所の開発するB2.5-Eunomiaはは先駆的な統合輸送コードであり.中性粒子輸送コードEunomiaは水茶の振動励起準位を考慮して計算を行う.直線装置Pilot-PSIへの適用[29]の後,  Magnum-PSIの非接触プラズマ実験を対象とした比較検証が行われるとともに[30], SOLPS-ITERコードとのベンチマークが行われている[31].また,金属材料表面にヘリウムプラズマ照射を行うとfuzzなどの機雑状ナノ構造が形成されることが知られている[32].そのためプラズマ－壁相互作用研究の観点から、直線装置GyMで生成されたヘリウムプラズマにSOLPS-ITERと不純物輸送コードERO2.0が適用されている[33].純ヘリウムプラズマは、Ｈモード遷移閥値を下げるためにITERの初期運転フェーズ（PFPO）での点火が検討されており[34]，ヘリウムプラズマシミュレーション研究の重要性を増している.著者らは，名古屋大学所有の定常直線プラズマ装置NAGDIS-IIを原子・分子過程などの茶過程検証のための中心装置として位置づけ、専門性の異なる複数機関の研究者を交えた共同研究体制により、直線非接触プラズマ用の新たな統合輸送シミュレーションコードDISCOVERの開発を進めてきた.現在はその発展段階といえるが.以下ではコード開発の現状や、直線装置・非接触プラズマを対象とすることで現れる開発項目,実験も含めた今後検討が必要と考えられる課題についてまとめる。輸送コードを構成する多数の物理モデルの中から、非接触プラズマシミュレーションの精度向上に資するモデルを探索・提案することで、原型炉シミュレーションの高精度化に貢献することをめざしている.
2．統合輸送コードDISCOVERの概要
本節では,  直線プラズマ装置NAGDIS-IIを対象として開発しているプラズマ流体コードと中性子輸送コードからなる統合輸送コードDISCOVERについて概説する. DISCOVER (Detached plasma Integrated Simulation COde with Various Elastic/inelastic Reactions）は，衝突輻射（Collisional Radiative: CR）コードの計算結果を参照することで『種々の弾性・非弾性衝突過程を考慮した非接触プラズマ用の統合シミュレーションコード』として名付けられた，中性粒子に関連する茶過程の検証に特化した統合輸送コードである. DISCOVERコードの開発では，主な計算対象としてStatus and Prospects on Development of Integrated Detached Plasma Transport Code for Linear Devicesヘリウムと水茶を選択している.ヘリウムは分子状態が存在せず，水蒸と比べて反応過程が少ないこと，またNAGDIS-IIにおける実験データが豊富なことから,先行して開発を進めており, 2023年に統合輸送コードとして完成したばかりである[35].ヘリウムに次ぐ形で水蒸の輸送コードの開発を進めており，並行して実験計測環境の整備を行っている.水茶は後述の通り,分子動力学(Molecular Dynamics: MD)コードとの連結も行っている.以下では，コード開発の経緯と，DISCOVERのコード体系についてヘリウム非接触プラズマの初期計算結果とともに説明する.その後,水茶翰送コードの開発状況についても簡単に述べる.
2.1コード開発の経緯
DISCOVERコード内では、Fortran言語で書かれたプラズマ流体コードと中性粒子輸送コードが交互に計算されることで定常解を求める.両者は各種反応速度係数として、CRコードにより計算されたテーブルを参照する.各輸送コードはプログラム言語PythonのF2pyによりモジュール化して管理しており，計算結果を相互に受け渡す.プラズマバラメータの計算には，慶應義塾大学畑山研究室（現,星野研究室）で開発された２次元（円柱座標系）の流体コードを用いている[36].方程式系はB2コードと同様である.  2次元コードであるため環状装置への適用はできないが、プログラム改変が容易であり、少ない計算リソース（計算時間,メモリ使用量）によりモデル検証を加速させることができる.もともと同コードは,ミラー装置GAMMA  10/PDXのダイバータ横擬領域（エンドセル）における水蒸プラズマを対象として開発され.その後，筑波大学を中心としたグループにより上流域（プラグ/バリアセル）へのメッシュ拡張[37]と，不純物輸送を計算可能な多流体コードへの改修が行われ、LINDA (LINear Divertor Analysis)と名付けられている[38].一方、本研究で扱う流体コードは上記と異なる流れを辿っており，まずは慶應義塾大学のオリジナルコード[36]を、2018年から名古屋大学大野研究室にてヘリウムの輸送コードへと変更している.その際,核融合科学研究所後藤氏開発のCRコード[39, 40]により計算された各種反応係数を参照することで，ヘリウム原子に関する詳細な茶過程を扱えるようにしている[41]. 2019年からは水茶分子イオンの計算を可能とするため、後述の多流体水蒸コードの開発を開始した.さらに最近は, Pythonから各種バラメータの入出力や計算の実行が可能なコードへと改変しており、筑波大学のコードとは大きく異なるものとなっているため、現在はLINDA-NUと呼び、以下ではこの呼称を用いる. 2020年からは、LHDを対象とした詳細な水蒸原子・分子モンテカルロ輸送コード[42]を開発していた信州大学澤田研究室との間でコードの統合化作業を開始した.当時はコロナ禍で人の移動に制限がある中で、オンライン形式での進捗確認を毎週行いながら開発を進め、2024年2月現在に至るまで通算130回以上の打ち合わせを行っている.当初の中性粒子輸送コードは３次元のデカルト座標系で動作していたが、２次元流体コードと３次元中性粒子輸送コードで同一物理量を評価したときメッシュ不整合に起因する有意な差が確認されたため，現在はLINDA- NUと同一の2次元メッシュ上で動くように改修されている。ヘリウムを対象とする場合には，上述のヘリウムCRコードに基づく反応係数を用い，水素に対しては信州大学開発のCRコードを用いる。ヘリウム準安定原子や，振動・回転励起状態の水茶分子を独立粒子として追跡可能な特徴ある中性粒子輸送コードである.  DISCOVERではPythonのmultiprocessingモジュールによる並列化が施されている.
2.2 DISCOVERコードによるヘリウム輸送計算
図１に直線装置NAGDIS-IIの模式図とDISCOVERコードの計算メッシュの対応を示す. 軸（z）方向および径（r）方向を座標軸とする2次元円柱座標系（軸対称）を採用している。 NAGDIS-IIは放電領域と，長さ約2 m,半径90 mmのダイバータテスト領域により構成され、DISCOVERは後者の領域内におけるプラズマと中性粒子の輸送を計算している.実機では,放電領域で生成されたプラズマは内径20 mmの中間電極と内径24 mmの陽極を通り磁力線に沿ってダイバータテスト領域へと導かれるため、プラズマの典型的な直径は20 mm程度となる.  DISCOVERは上流境界面で放電領域近傍のプラズマバラメータの径方向分布を与える.また,放電領域に供給されたガスのうち、プラズマ化しなかった分は中性粒子として上流から供給する.計算領域に流入したプラズマは空間中で体積再結合するか、終端板に到達して表面再結合し，中性粒子へと変わる．これに加えて，終端板近傍の側壁にガスの供給ポートがあり，実機ではダイバータテスト領域内のガス圧制御に利用される.通常, NAGDIS-IIで生成されるプラズマの電子温度は10 eV以下と低いことから.二価のヘリウムイオンは無視している.完成したヘリウム輸送コードの大きな特徴は、準安定（メタステープル）原子の輸送を考慮した非接触プラズマ計算が可能な点である。準安定原子は寿命が長く，非接触プラズマ計測で得られた準安定原子密度分布を理解する上で，その輸送の考慮が必要なことが簡易的なモデリングとの比較から確認されている[43].ヘリウム原子の追跡計算時にはCRコードから得られたテーブルを参照し、電離,もしくはダイバータテスト領域の上流・下流の真空ポンプで排気されるまで，基底状態と準安定状態(準位：2¹S, 2³S)の間を確率的に遷移する. LINDA-NUコードと中性粒子輸送コードは交互に実行され、計算結果を互いに受け渡しながら，100回程度以上のイタレーションを経て収束に至る.  LINDA-NUは電子密度,電子温度,イオン温度,イオン並進速度分布を受け渡し、中性粒子輪送コードは基底原子密度，準安定原子密度,中性粒子温度,中性粒子並進速度,荷電交換・弾性衝突によるイオン運動量生成レートとエネルギー生成レートなどを受け渡す.なお.終端板で生成されたリサイクリング中性粒子は，単一エネルギーをもつビーム成分として別で取り扱っている（3.3節参照）. LINDA-NUと中性粒子輸送コードはそれぞれのコード内でもイタレーション計算を行う.  LINDA-NUのイタレーション計算時.中性粒子輸送コードから受け渡されたバラメータを固定値として使用すると，プラズマ分布の更新に伴う中性粒子応答との乖離により不整合が生じる。そのため，中性粒子輸送コードの出力結果に補正をかけ，各種レートを逐次評価して用いている.図2は，ヘリウム非接触プラズマの各種バラメータ分布の収束計算結果である[35].電子温度T。が数eVの上流プラズマ中では(図2 (a)),温度緩和により7も高く(図2 (b)),加えて,イオン–原子間の荷電交換・弾性銜突過程により原子温度でも周りより高い(図2 (d)).終端板近傍からガス供給を行っているため，装置下流にかけて基底原子密度n (1¹S)が増加しており(図2 (e)).プラズマはz～1.7 mでT。< 1 eVとなり，体積再結合過程が促進されることで終端板到達前に電子密度n。が急減している（図2 (c)).図2 (f)には，準位2³Sの準安定原子密度n (2³S)の分布を示す（準位21Sの準安定原子も同様に解かれている）.準位23Sの原子は，非接触領域で生成された後に壁近傍まで輸送されることで,広域にわたり存在している.ただし.後述の壁反射条件を変更するとこの分布は大きく変化するため（3.3節参照）、実験を再現できているかは比較検証が必要である.準安定原子は基底原子と比べて密度が数桁低いが、内部エネルギーが高いため電子温度が低くても容易に電離する（3.1節参照）準安定原子の輸送を考慮した場合としない場合を比べると，電離によるプラズマの生成レート分布などが変わり、電子密度の急減位置が軸方向に移動することを確認している.
2.3　水素輸送コード開発の現状
水素は分子状態をもつことから、ヘリウムと比べて取りうる状態が非常に多い。また分子を介した非接触化過程である分子活性化再結合（Molecular Activated/Assisted Recombination: MAR) [44]を含め反応過程が多く，モデルが複雑となる[45].水茶には軽水茶(H),重水茶(D),三重水茶（T）の同位体があるが、本研究では茶過程データが比較的豊富な軽水茶の輸送コードの整備を先行している.水茶イオンに関し、主に原子イオン（H + ）のみを考慮すればよい電離進行プラズマと異なり、非接触プラズマ中では、H 2やH 3といった分子イオンが数十バーセントの高い比率で存在することが直線装置PISCES-A[46, 47]やTPD-SheetIV[48]のオメガトロン質量分析計測で確かめられている.分子イオンはMAR過程においても重要であるが、通常の統合輸送コードではこれらの輸送は考慮されていない. 水茶プラズマ計算用のLINDA-NUでは,水茶分子イオンを原子イオンと同列に解く多流体コードとして開発している[49].  H * ,  H 2 * ,  H 3 *の間で, 現在のところイオン温度は共通であるが、密度および並進速度は独立に計算している.  MAR過程において負イオン(H − )も重要であり，将来的に組み込むことを検討している.中性粒子について、水素分子は電子励起状態に加え.振動・回転励起状態をもつ.そして，MARの反応速度係数は振動・回転状態に強く依存することが報告されている。詳細は文献[45]に譲るが，信州大学で開発された中性粒子輸送コードは，軽水茶では電子基底状意にある301の振動・回転状態の分子を独立粒子として追跡可能なため，振動・回転励起分子が非接触プラズマ形成に及ぼす影響を明らかにできると考えている.現在,同コードのバラメータ入出力機能を拡充し、F2pyによるモジュール化ならびにLINDA-NUとの統合を進めている. さらに,山形大学斎藤氏の開発したMDコード[50]との統合も進めている.
３．直線非接触プラズマ輸送コードの開発項目と
課題
本節では，DISCOVERコード開発において対応済み,もしくは今度検討が必要となる。非接触プラズマ特有.あるいは直線装置特有の開発項目や課題について列挙して述べる.個別の数値解法には踏み込まない.また,著者の知識や興味により，取り上げる内容には偏りがあることに注意されたい.
3.1各種レート係数・生成レート
中性粒子との相互作用が活発な非接触プラズマの計算では，電離や体積再結合，励起・脱励起など，原子・分子過程と関わる粒子・運動量・エネルギーの生成（損失）レートの取り扱いが極めて重要となる.そのためDISCOVERでは、CRコードにより出力されたテープルを用いている.以下では,ヘリウムCRコードの電離および電子エネルギー生成レートの取り扱いを例として概説する. DISCOVERは，寿命の長い準安定原子の輸送を考慮することに特徴がある.このとき,準安定原子に準定常(Quasi-Steady state: QSS)近似の適用を課さない公式1 (Formulation I)を用いる必要がある.これに対し、準安定原子密度は局所的なバラメータ（基底原子密度,電子密度，電子温度）のみで決まるとするのが，全励起原子にQSS近似を課す公式2（Formulation II）である.公式2の電離レート係数は文献[40]記載のScrであり，電離による生成レートはScrn(1¹S)n。となる。一方，公式1の電離レート係数は，基底および準安定原子（密度： n(2¹S), n(2³S))それぞれに与えられ,生成レートはS 11s n (11S) n e + S 21s n (21S) n e + S 21s n (23S) n eのような表式となる.図３に、基底および準安定原子の電離レート係数Ｓ 1's. S2's. S2'sならぴにScrの電子温度依存性を示す.ここで, n。= 10¹9 m −³として計算している。 1 eV以下の低温であってもS²s. S²sは大きな値をもち、基底原子と比べて準安定原子が極めて電離しやすいことがわかる.電子温度の低い非接触プラズマ中では重要な要素であり，公式１を採用するDISCOVERコードはこれらのレート係数を用いている.電子のエネルギー生成レートの取り扱いについて、過去に行われたLINDA-NU単体を用いた計算への公式2適用時の例を紹介する[41].電子のエネルギー生成レートSeは、電離進行プラズマ成分および再結合プラズマ成分の電子冷却レート係数であるP。1およびP。。[39]を用いて以下のように表される.
Se = − n (1¹S) n o P o , 1 − n i n o P o , 0

ここでn;はイオン密度である.図４にP。 oの電子温度依存性を示す[41].同図において,縦軸の正符号（上部）は電子冷却，負符号（下部）は電子加熱を意味する。低T。高n。において顕著にみられる加熱成分は、三体再結合過程で電子とイオンが結合するときに生じる余剰エネルギーを，別の近くの電子に受け渡すことに起因している.電子密度に高い相関をもつ同加熱効果は、既存装置と比べてさらなる高密度化が予想される原型炉ダイバータ環境では一層重要な過程となり
うる.
3.2   輻射輸送
非接触プラズマが生成される高中性粒子密度環境では,励起中性粒子からの自然放出脱励起発光が再度中性粒子に吸収される過程（輻射再吸収，輻射捕獲）が無視できなくなる[51].特に，基底中性粒子は励起粒子より密度が高いことから、基底準位への脱励起発光（水蒸原子ではライマン系列）の吸収が顕著となる.これらの光吸収により，電離の容易な励起原子が多量に生成され，非接触化が阻害される可能性がある。このようなエネルギー・粒子バランスに影響を及ぼす輻射輸送過程の考慮は重要図4と考えられるが、厳密な輻射輸送解析には多大な計算コストを要し、一般に統合輸送コードは同効果を考慮していない.この問題を解決するため，原型炉におけるSONICコード計算に対し、自セル内（半径2 mm球内）で放射が全て吸収されると仮定した局所輻射輸送モデルの適用が行われている[52].同簡略化モデルは，事前のバラメータサーベイから輻射捕獲を考慮した電離レート係数のテープルを作成し、通常のテープルと置き換えるもので、計算コストはほとんど増加しないという利点がある.輻射捕獲の考慮は，低電子温度域での電離レートの増加に寄与しプラズマバラメータへの影響がみられている.また近年,トカマク装置DIII-Dを対象としたSOLPS計算において,輻射輸送効果を組み込んだ計算が実施され、考慮しない場合と比べて非接触化しづらくなるといった結果が報告されている[53].信州大学開発の中性粒子輸送コードには輻射輸送の収束計算まで組み込んだバージョンがあり、現行のDISCOVERは同効果を取り入れていないが、将来的に導入することを計画している。今後、分光や放射計測などの実験と比較を行うことで輻射輸送が非接触プラズマ形成に与える影響を検証し、精密化と簡略化の整合のとられたモデルの提案に繋げたいと考えている.
3.3終端板・側壁
直線装置において，プラズマは磁力線に沿ってダイバータ板を模した終端板へと接続する.  LINDA-NUでは板前面の境界条件としてボーム条件を課し、イオンは下流境界面（シース端）に到達するまでにイオン音速まで加速される.その後,表面再結合により生成された中性粒子は板表面から放出されるが、一連の過程で考慮すべき課題が複数ある.まず、DISCOVERは非接触プラズマのモデル高精度化を目的として開発しているが、完全非接触状態ではシースを形成するプラズマがそもそも消失しており、ボーム条件の適用は必ずしも適切とは言えない.下流境界条件への感度解析を行う必要がある.加えて,現在のヘリウム中性粒子輸送コードでは、シース電圧とEcksteinのエネルギー反射係数[54]から、板前面の電子温度の３倍弱の単一エネルギーをもったビーム成分として基底原子を法線方向へと放出している.将来的には放出角分布などを考慮する必要があると考えられる.水蒸プラズマの多流体輸送コードでは,ボーム条件の取り扱いが問題となる。２種イオンプラズマにおけるシース形成の条件は解析的には双曲線関数により与えられ.一意に決定されない.  Particle In Cell（PIC）コードを用いた計算では，衝突度の大きさに応じて個別，もしくは共通のイオン音速をもつことが指摘されている[55]. ３流体を扱うLINDA-NUコードでは解析的な評価は困難なため,下流におけるイオン種間の流速差を監視して,差が大きいときは個別，小さいときは共通のイオン音速を採用するスイッチを導入している.終端板と異なり，円筒型真空容器の側壁はプラズマ柱から遠いため、プラズマとの直接の相互作用はほとんど無視できる.一方,大きな表面積を持つことから,中性粒子のバラメータ分布に強く影響し、プラズマにも間接的に液及する.  DISCOVERでは、壁での中性粒子の反射角やエネルギー状態について、鏡面反射と熱化の比率を設定できるようにしている.またヘリウムの準安定原子が壁で脱励起する確率は材質に依存し、例えばガラス壁において準位21Sの原子は80－90%がそのまま反射するとの報告がある[56]. DISCOVERはこの脱励起確率も設定できるようにしており、実験との比較検証の中で適切な値を調べる必要がある.さらに，水茶のリサイクリングや壁反射のモデルにおいて、原子・分子比率やエネルギー，分子の振動・回転状態を設定する必要がある。山形大学開発のMDコードでは、タングステンへ水茶原子が入射した際の詳細な挙動が調べられており[50]，水蒸の中性粒子輸送コードの終端板には，このMDコードの結果を一部取り込んでいる.近年NAGDIS-IIでは,終端板の材料をMD計算可能なタングステンへと変更し、実機との比較環境をシミュレーションに合わせる取り組みも行っている.
3.4各種データベース
荷電交換・弾性衝突過程や壁反射過程などのモデル化には、断面積や反応速度係数といったデータベースを使用しているが、理論計算では近似由来，実験では計測精度の観点から、有限の誤差を含んでいる。特に1 eVを下回るような低温では，データが存在しないか，あるいはより高温のデータから外挿されている場合があり、精度が十分であるか、また非接触プラズマ形成への感度がどの程度であるかを精査する必要がある.  DISCOVERの一部物理モデルも，茶過程データが完全に揃っていない中で外挿ないし簡略化されているものもあり，その影響の調査も必要である.さらに，核融合燃料の半分は三重水茶であるが，その茶過程データは極めて限定的である.軽水茶と重水茶の比較から、三重水素の結果を外挿評価することや、理論計算などからデータベースを拡充することが必要である.
3.5 上流境界条件・径方向輸送
環状装置のダイバータ領域に流入するプラズマは,元をたどると炉心領域から磁気面を横切り漏れ出てきたものである.したがって,上流境界条件は炉心領域の磁気面に沿って与えられる.対して直線装置は,磁場を横断するように放電領域が存在する.  DISCOVERやB2.5-Eunomiaコード[30]などでは，上流境界面に電子密度・電子温度分布を与えている.放電領域へのガス供給に関しては,その一部が電離してプラズマ流となることから,  DISCOVERでは, 実験から想定される上流ガス流量と上流境界からのプラズマ粒子流量の差を求め,上流側からの中性粒子流量としている.一方. NAGDIS-IIへのEMC3-EIRENE適用時には、エネルギー体積ソースを放電領域に与えて放電を模擬している[28].またプラズマ粒子および熱の径方向輸送について、通常の統合輸送コードでは，それぞれ拡散係数を与えることで解いている.環状装置は,実験から得られた赤道面近傍の電子密度，電子温度分布を再現するように拡散條数を決めることができるが、直線装置は上述の通り、磁力線を横断して放電領域が存在することから、上流境界条件と拡散係数がともに径方向分布に影響する。したがって，適切な拡散係数の決定には，磁力線上の二か所以上の位置で径方向分布を実験と照らし合わせる必要がある. NAGDIS-IIには上流・下流にレーザートムソン散乱計測システムが設置されているため[57],中性粒子相互作用の少ない低ガス圧条件で，上下流の計測結果と一致するように拡散係数を決定することを考えている.なお、非接触状態では径方向への対流輸送が増大する現象が観測されており、この考慮も必要と考えられる[58, 59].同輸送効果は体積再結合過程が活発に生じている再結合フロント（recombination front）近傍で大きいため,体積再結合過程と関連づけた対流輸送項を加えることを検討している.
3.6 粒子供給・粒子排気
プラズマ実験において，装置への粒子供給量はマスフローメータの指示値（単位は[sccm]や[slm],コンバージョンファクターを考慮して[1/s]に変換）から決定できる.一方の粒子排気量は,真空ポンプの仕様に含まれる排気速度（[m³/s]）は既知であるが、実際の排気流量はポンプ前面のコンダクタンスやガス圧に依存する. DISCOVERでは，ポンプに接続するフランジ位置に仮想的な排気板を配置し、衝突した中性粒子の一定割合を損失させるモデルを実装している.このようなモデルはSONIC内の中性粒子輸送コードNEUT2DやEIRENEでも使用される一般的なものである.適切な排気係数を決定するため，NAGDIS-II実機でプラズマを点火せずにガス供給と真空排気のみを行い.上流・中流・下流の３か所に設置されたキャバシタンスマノメータによるガス圧分布計測を行った.このとき,上流・下流の２台の真空ポンプ前面にあるバタフライバルプを操作し、片側排気や両側排気の組み合わせで実験を行った.その後,中性粒子輸送コードを用いて各条件にて排気係数をスキャンし、実験を最も再現する係数を選定した統合化作業開始当初の３次元中性粒子輸送コード適用時には，排気板を実機に即して周方向に局所的に配置し,真空容器断面（直径180 mm）内におけるガス圧分布を確認した.真空容器断面内において、排気板に近づくにつれ緩やかに低下するガス圧分布が得られたが、プラズマ柱の存在する直径20 mm程度の領域はほぼ一様な分布であった.そのため,排気に係る周方向非一様の影響は軽微であるとして、現在は２次元軸対称コードを採用している.なお、排気係数を用いるモデルでは、ガスの供給流量とガス圧は比例関係となることが期待されるが、実験では高ガス圧環境下で非線形な関係が見られた.これには,ポンプ排気性能の低下と，分子流領域から粘性流領域に近づくことによる真空容器全体を含めた実効コンダクタンスの変化による奇与が考えられる.今後,低ガス圧の接触状態と高ガス圧の非接触状態で比較検証を行う際,排気係数を一定値で与えてよいかは検討事項である.また,同一のガス供給条件であっても,プラズマを点火すると粒子バランスが変わり,ガス圧分布も変化する.今後,実験とシミュレーションを比較する際,ガス供給流量とガス圧の両者が一致すればよいが、遠いが出た場合、どちらを優先して実験と合わせた計算を行うかは検討項目となっている. 3.7シミュレーション比較に向けた実験装置整備直線装置で生成される高熱流プラズマを装置下流で完全に非接触化させるには，中性粒子供給を増やすか排気速度を落として中性ガス圧を高めるとともに、プラズマを高密度化して体積再結合レートを高める必要がある.直流アーク放電を行うNAGDIS-IIでは，生成されるプラズマ密度は放電電流と高い相関をもち[60].磁場強度を高めることで径方向中心密度をより高くすることができる.したがってNAGDIS-IIにおける非接触プラズマ実験は，装置性能の上限に近い放電電力を投入した強磁場環境下で実施される.そのため本質的には再現性の高い直線装置ではあるが、他の多くの物理実験や材料へのプラズマ照射実験を行う場合と比べて，放電性能の経時変化.特に、陰極として用いている六ホウ化ランタンの熱電子放出特性の劣化に注意を払う必要がある.シミュレーション比較のための系統的なデータセット取得の際には再現性は極めて重要なため，以前と比べ，NAGDIS-IIでは放電部のメンテナンス性を高め、データロガーによる各種実験バラメータの常時モニタリングを行い。異常発覚後は早期のメンテナンスと状況の記録を行うように努めている.また3.6節のガス圧計測実験を行う過程で，圧縮空気をつくるコンプレッサーを別の機種へと更新している.圧縮空気はポンプ前面のバタフライバルプの駆動に使用しているが、過去に使用していたコンプレッサーの圧縮開始圧力はバルプの作動圧力を若干下回っており（圧縮終了圧力はバルプ作動範囲内),操作のタイミングによってはバルプが完全に開かず，真空容器内のガス圧に影響を与えていたことがわかった.その後、減圧弁と連結した高圧タイプのコンプレッサーへと交換し、圧縮空気圧力の変動幅を狭めることでバルプ動作を安定化させている.これは一例であるが、実験－シミュレーション比較を意識した研究を行うことで，実機における再現性の低下をもたらしている機器や原因が見つかるといった副次的な効果が得られている. NAGDIS-IIでは計測器整備にも力を入れている.適用の容易なプラズマ診断法として静電プロープがあるが.特に上流プラズマの径方向中心領域における大きな援乱が確認されており[57]，他方，1 eV以下の低温ではシングルプロープ法の異常性が報告されているため、ダブルプロープを用いた丁寧な解析が必要となる[61].そのため,上流・下流のバラメータ計測には,主にレーザートムソン散乱計測システムを活用する予定である.水素分子イオンの計測については、オメガトロンの導入など検討中である.輻射輸送を含む詳細な原子・分子過程を調べる際には,光学計測は極めて重要である。軸方向・径方向に駆動可能な2次元駆動プロープ計測システム[62]に，近年新たに光学系を組み込んでおり（図５参照）、エシェル分光器を新たに整備して、２次元広域・高波長域・高波長分解能の発光分光計測系を実現する予定である.日本大学との共同研究で実施しているレーザー吸収分光（Laser Absorption Spectroscopy: LAS)は、ヘリウム準安定原子を計測でき[63]，ヘリウム版DISCOVERコードのシミュレーション結果の検証に極めて有用であると考えている.また近年,別装置であるが,トロイダル型ダイバータ横擬装置NAGDIS-Tでは，２光子励起レーザー誘起蛍光法(Two-photon Absorption Laser Induced Fluorescence: TALIF）による基底水蒸原子計測システムを構築している。同装置の実験により，計測難度が高いものの非接触化過程に大きく影響する基底水茶原子に関する情報を取得し，物理モデル検証に役立てたいと考えている.
4.今後の展望
本稿では，著者らが共同研究で進めている，直線装置を対象とした統合輸送コード開発の取り組みの現状や課題について概説した.磁場配位の影響を排したダイバータプラズマに特化し、通常の統合輸送コードでは取り扱いが不十分と思われるモデルを高精度化。もしくは影響を精査することで，非接触プラズマシミュレーションを高精度化させる物理モデルを探索・提案することをめざしている.原型炉設計に直接用いるシミュレーションは，当然ながら環状磁場配位を計算可能な統合輸送コードを用いて行われる.さらには炉心まで包含した巨大なコードを標築する流れもあり（もちろんこれは重要な取り組みではあるが),システムが複雑化するにつれ,修正されるべきモデルが埋没する懸念がある。本研究は，単純化されたダイバータ模擬装置を舞台として、実験検証を通じてプラズマ・中性粒子・壁表面間にわたる一連の茶過程を見つめ直し、学術的にも深い物理理解を試みるものである.実際の核融合炉環境では、重水蒸･三重水蒸･ヘリウム・不純物イオンの混合プラズマに，定常・非定常現象，３次元現象が重畳し、壁の状態も時々刻々と変化する.茶過程に焦点をあて、立ち戻るように見える本研究が、炉実現の近道となることを期待している.
勤
辞
本稿で概説したコード開発や実験装置整備などの一連の研究は，信州大学澤田圭司教授,東海大学夏目祥揮特任講師,慶應義塾大学畑山明聖名誉教授,星野一生准教授,東京大学梶田信教授,日本大学荒巻光利教授,山形大学斎藤誠紀准教授, 核融合科学研究所中村浩章教授,後藤基志准教授,河村学思助教,林祐貴助教,名古屋大学大野哲第教授,高木誠氏,ならびに各大学学生諸子の多大な協力により実施されたものであり，ここに感謝いたします.研究成果の一部は, JSPS科研費(19K03802, 20H00138, 22H01203, 22K18701, 23K13088)およぴNIFS共同研究（NIFS22KIPP002, NIFS22KIST003, NIFS23HDAF011）の助成を受けたものです.