核融合プラズマの揺らぎが粒子を内側へと運ぶことを実証――ダイポール磁場の自己組織化を支える粒子輸送を直接観測――
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東京大学
自然科学研究機構 核融合科学研究所
発表のポイント
◆リング電流が作り出すダイポール磁場中の高温プラズマにおいて、プラズマ中の電場の細かな揺らぎが粒子を中心方向に輸送することを実験的に観測しました。
◆プラズマの揺らぎは、粒子を外へ逃がして閉じ込めを悪化させるだけでなく、中心方向へと運ぶ役割も果たすことを示しました。
◆新しい核融合エネルギーの閉じ込め方式の研究や、惑星磁気圏など自然界のプラズマ輸送現象の理解への貢献が期待されます。
磁気浮上ダイポール実験装置RT-1（Ring Trap 1）で生成したプラズマ
概要
東京大学大学院新領域創成科学研究科、同大学大学院数理科学研究科、核融合科学研究所の研究グループは、ダイポール磁場（注1）中の高温プラズマにおいて、低周波の電場揺動が粒子をプラズマ中心方向へと運ぶことを実験的に示しました。一般にプラズマの揺らぎは閉じ込めを悪化させる要因と考えられていますが、ダイポール磁場においては、揺らぎがプラズマの構造形成に関わることが理論的に予測されてきました。
本研究では、プラズマ中の電場揺動と電子密度変動の相関を解析することで、揺らぎが粒子を内側へと輸送する駆動源となっていることを明らかにしました。この成果は、理論的に予測されてきた、プラズマが自ら安定な閉じ込め状態を維持する自己組織化（注2）機構の理解を前進させるものであり、次世代の核融合プラズマ閉じ込め研究への貢献とともに、惑星磁気圏で起こる粒子輸送現象の理解にも新たな知見を与えることが期待されます。
本研究は、内閣府ムーンショット型研究開発制度目標10の研究開発課題「超伝導ダイポールによる先進核融合と反物質科学の学際展開」の一環として実施されました。
発表内容
フュージョンエネルギー（核融合エネルギー）を実現するためには、1億度を超える超高温プラズマを長時間安定に閉じ込める必要があります。現在、磁場でプラズマを閉じ込める方式ではトカマク型装置を中心とした研究が進められていますが、その一方で、トカマク型とは異なる先進的な閉じ込め方式の研究も進められています。内閣府ムーンショット型研究開発制度目標10では、従来方式を超える革新的な核融合概念の実現を目指した研究が進められています。本研究で対象とした、地球や木星の磁気圏とよく似た磁場を人工的に作るダイポール磁場方式は、その革新的な閉じ込め方式の一つです。
1980年代に米国ベル研究所の長谷川晃博士によって提案されたダイポール核融合炉の概念では、ダイポール磁場中でプラズマが自ら安定な状態へ向かって変化する自己組織化が起こり、その結果、粒子が磁場の強い中心側へ集まり、高い圧力を持つ高ベータプラズマ（注3）を自然に形成できる可能性が示されました。その後、この現象は、粒子運動と関わる「断熱不変量」に基づく緩和理論として定式化され、ダイポール磁場の大きな特徴であると考えられてきました。しかし、どのような仕組みで粒子が中心へ運ばれる内向き輸送（注4）を形成するのかを実験的に示す証拠は十分ではありませんでした。
本研究では、東京大学の浮上ダイポール装置RT-1（注5、図1）を用い、電場と電子密度の微小な揺らぎを高い時間分解能で同時に測定する手法を適用しました。これにより、プラズマ中に現れる約1 kHzの低周波揺動が、磁場の強い中心方向へと粒子を輸送していることを直接観測しました（図2）。さらに、この内向き粒子輸送は、プラズマの高圧力状態が崩れた後、再び高圧力構造が形成される過程でのみ現れ、十分に形成された安定状態ではほとんど消失することも明らかになりました。これは、揺らぎが単にプラズマを乱すのではなく、高圧力プラズマの形成・維持に関わる自己組織化の一部を担っていることを示しています。
図1：RT-1装置の全景（東京大学柏キャンパス）
各種の計測・加熱・超伝導冷却システムを備えた装置であり、写真中央の真空容器内で、ダイポール磁場中にプラズマを生成する実験装置。
図2：高ベータ構造の自己組織化の過程で発生する低周波揺動が駆動する内向き輸送
性能の良い高ベータ構造（c-2）を外部から一時的に壊して平坦な構造（c-1）を作ると、再び高ベータ構造（c-2）への回復が見られる。その際に発生する1kHz付近の電場揺動が、磁気面（磁力線）を横切って内側へと粒子の流れ(b)を作り出している。
本研究は、長年理論的に提唱されてきたダイポール磁場の優れた閉じ込め性能を支える、プラズマの自己組織化を支える粒子輸送機構を実験的に裏付ける成果です。これにより、ダイポール方式による次世代核融合炉の研究に新たな指針を与えます。さらに、本研究で対象としたダイポール磁場は惑星磁気圏と共通する磁場構造であることから、地球や木星など惑星磁気圏で起こる粒子輸送や自己組織化現象の理解にもつながることが期待されます。
本研究は、ムーンショット型研究開発制度目標10の研究開発課題「超伝導ダイポールによる先進核融合と反物質科学の学際展開」の基盤となる成果です。
〇関連情報：
「プレスリリース①宇宙プラズマの波「コーラス放射」の自発励起と発生条件の解明を実験室で実現― 人工磁気圏RT-1による実験室と宇宙をつなぐプラズマ現象の理解 ―」（2024/02/16）
https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/10795.html
発表者・研究者等情報
東京大学
大学院新領域創成科学研究科
齋藤 晴彦 准教授
兼：核融合科学研究所 特任准教授
三村 洸生 研究当時：修士課程
青柳 信之介 研究当時：修士課程
城越 望 研究当時：修士課程
大学院数理科学研究科
吉田 善章 特任教授
自然科学研究機構 核融合科学研究所
上田 研二 特任研究員
西浦 正樹 准教授
兼：東京大学大学院新領域創成科学研究科 客員准教授
釼持 尚輝 准教授
兼：総合研究大学院大学 核融合科学コース 准教授
佐藤 直木 准教授
兼：東京大学大学院新領域創成科学研究科 客員准教授
論文情報
雑誌名：Nuclear Fusion
題 名：Inward particle flux caused by low-frequency electric fluctuations in the edge region of dipole magnetic field configuration（7月30日付掲載）
著者名：H. Saitoh*, H. Mimura, S. Aoyagi, N. Shirokoshi, K. Ueda, M. Nishiura, N. Kenmochi, N. Sato, and Z. Yoshida*
DOI:10.1088/1741-4326/ae855d
URL:https://doi.org/10.1088/1741-4326/ae855d
研究助成
本研究は、ムーンショット型研究開発事業目標10 研究開発プロジェクト「超伝導ダイポールによる先進核融合と反物質科学の学際展開（課題番号：JPMJMS25A6）」、核融合科学研究所 一般共同研究「磁気圏型配位における波動粒子相互作用によるプラズマ輸送現象の研究（課題番号：NIFS25KIPS009）」、核融合科学研究所 核融合開発共同研究「遁走電子抑制のためのホイッスラー波の制御と波動による高温電子排出効果の検証（課題番号：NIFS26KFGS002）」の支援により実施されました。
用語解説
（注1）ダイポール磁場
磁石の周囲や地球・木星などの惑星の周辺に見られる、双極子型の磁場構造。本研究では、超伝導リングコイルを磁気浮上させることで、惑星磁気圏とよく似た磁場を実験室内に作り出している。この磁場は、将来の新しい核融合炉の候補としても研究されている。
（注2）自己組織化
外部から細かく制御しなくても、系を構成する粒子同士の相互作用によって、秩序だった構造が自発的に形成される現象。ダイポール磁場では、粒子が内側へと集まることで、高い圧力をもつプラズマが自然に形成されることが理論的に提唱されてきた。
（注3）高ベータプラズマ
ベータ（β）とは、閉じ込め磁場の圧力に対するプラズマ圧力の割合を示す指標である。βが高いほど、限られた磁場で高い圧力のプラズマを閉じ込めることができるため、核融合炉では重要な指標となる。ダイポールでは、プラズマの圧力が磁場の圧力と同程度、あるいはそれ以上となる状態を安定に保持できることが実証されており、先進的な核融合への応用可能性も期待されている。
（注4）内向き輸送
プラズマ中の粒子が、磁場の弱い外側から磁場の強い中心側へ移動する現象。通常はプラズマ中の粒子は外側へ拡散し閉じ込めが悪化する方向に働くが、ダイポール磁場では、内向きの輸送によって中心部に密度や圧力が集中した構造が形成されることが理論的に示されていた。本研究では、その輸送を実験的に観測した。
（注5）RT-1
東京大学柏キャンパスの磁気浮上超伝導コイル型ダイポールプラズマ実験装置。超伝導コイルを磁気浮上させることで、地球や木星の磁気圏に類似した磁場を実験室で再現し、先進核融合に適した高ベータプラズマの自己組織化現象や、宇宙天気現象に関わる波動、さらには反物質プラズマの物性解明を目指す研究を行っている。
