九州大学 応用力学研究所・総理工学府先端エネルギー理工学専攻 出射研究室

Research

プラズマは「第4の状態」と呼ばれ、電子・イオンといった荷電粒子になるまで「ばらばら」となった状態です。プラズマの電気をもった荷電粒子が高周波・ミリ波といった電磁波に応答し、集団的な振る舞いも起きることから、プラズマと電磁波の相互作用(プラズマ−波動相互作用)は、興味深い分野です。核融合反応を起こすためには、高い温度、高い密度、逃げないようにする良好な閉じ込めが必要です。高温・高密度の核融合プラズマの生成(立ち上げ)・加熱・維持のために、大強度高周波・ミリ波を用います。プラズマの密度・温度といった基本パラメータの計測にも、高周波・ミリ波を用います。計測は、プラズマを調べるといった観点で、プラズマ診断とも呼ばれます。良好な閉じ込めのために、高周波・ミリ波を用いた制御を行います。本研究室は、【プラズマ−波動相互作用】を軸足において、高周波・ミリ波を用いた核融合プラズマの生成・加熱・維持、プラズマ診断、制御、加えてそれらの研究を遂行するために、高周波・ミリ波要素部品開発も進めています。

主な研究内容は「プラズマ診断」「プラズマ生成(立ち上げ)・加熱・維持」「プラズマ制御」「高周波・ミリ波要素部品開発」です。詳細は、各ページをご覧ください。

  • プラズマ診断
  • プラズマ生成(立ち上げ)
    加熱・維持
  • プラズマ制御
  • 高周波・ミリ波
    要素部品開発

プラズマ診断

プラズマ中では、屈折、反射、透過、散乱、放射といった電磁波現象がおきます。電磁波を用いたプラズマ診断の基礎と最前線については、プラズマ・核融合学会誌の以下の講座記事が参考になると思います。

講座:電磁波を用いたプラズマ診断の基礎と最前線

Plasma Diagnostics with Electromagnetic Waves: Fundamentals and Frontiers
  1. はじめに
  2. 電磁波を用いたプラズマ計測の基礎
  3. 先進計測技術・最近の進展
    1. マイクロ波イメージング
    2. ドップラー反射計
    3. 散乱計測
  4. ITER実験での課題と新たな取り組み
    1. 電子密度計測の課題と開発状況
    2. 電子サイクロトロン放射計測での問題点と新たな取り組み
    3. 電磁波測定における相対論的効果の導入
  5. おわりに

本研究室では、主に屈折、反射、放射現象を利用したプラズマ診断に取り組んでいます。測定対象のプラズマが大きいために、計測での波動伝搬距離が長くなり、用いる電磁波の周波数が低い(波長が長い)場合には、伝搬波は広がっていき、プラズマの局所パラメータを計測することが難しくなります。この問題を解決するために、位相配列アンテナを開発し、アダプティブアレイ手法による解析等を行っています。アダプティブアレイ手法等のリモートセンシング技術は、大気・海洋分野、災害情報収集などの分野でも活用されており、幅広い分野との共同研究を進めています。また、英国カラム研究所との共同研究課題でもあります。

参考論文

プラズマ生成(立ち上げ)・加熱・維持

核融合炉として有望視されているトカマク型装置で、(ドーナツ)プラズマを閉じ込めるためには、プラズマ電流が必要です。一般的には、プラズマ電流はトランス原理による誘導電場を用いて立ち上げられます。定常運転が必要な核癒合炉では、誘導電場に依らない非誘導方式の電流駆動法の確立が不可欠です。最近の先進炉設計では、誘導電場を用いて立ち上げに必要な磁場コイルを除去したり、極力小さくする方向で最適化が進められています。そのため、非誘導方式の電流駆動法の確立は、プラズマ電流立ち上げ時にも必要となります。近年、大電力ミリ波電子管【ジャイロトロン管】(250kW 1s)システムを開発し、これまでにない高電流(66kA)プラズマを生成し、安定な配位で維持することに成功しています。高密度プラズマでは、入射した電磁波は反射してしまいます(反射現象は、密度計測に活用できます)が、プラズマ中で波動モードを変換することで、プラズマ中を伝搬させることができ、本研究室ではモード変換によるプラズマ加熱・電流駆動にも取り組んでいます。正に、プラズマ−波動相互作用の醍醐味を感じられる研究テーマです(このモード変換過程は、放射計測にも活用します)。モード変換の波動伝搬を光線追跡(Ray Trace)解析で、波動吸収、駆動電流をフォッカープランク解析で検討しています。

参考論文

プラズマ制御

高周波・ミリ波を用いた核融合プラズマの制御として、プラズマ電位(電場)分布制御や、安定性制御などがあります。核融合研究で大きな節目となる「燃焼」を目指し、世界の英知を結集しITER (国際熱核癒合炉)実験が間も無く始まります。燃焼プラズマ実験では、プラズマパラメータの細部な分布制御が必要です。日本ではITER 研究をサポートするために欧州と共に進めているJT-60SA プロジェクトでの制御課題・検討の詳細が、以下のプラズマ・核融合学会誌の小特集記事に紹介されています。

小特集:燃焼・高ベータプラズマの実現に向けたプラズマ分布制御の課題

The Key Issues in Profile Control of a High-Beta Burning Plasma
  1. はじめに -核融合発電への鍵を握るプラズマ分布制御-
  2. 制御目的と制御対象
  3. 分布制御と応答特性
  4. 実時間制御実験の進展と課題
  5. 実時間データ処理・演算の進展と課題
  6. 結びとして -核融合発電への鍵を握るプラズマ分布制御の未来-

これまでに実際にプラズマ電位(電場)分布制御を行ったことがありますが、 (参考論文:Transition of the radial electric field by electron cyclotron heating in the CHS heliotron /torsatron
最近は、制御に必要なビームを成形・準備する高周波・ミリ波要素部品の開発を主に進めています。以下の論文では、日本原子力開発機構との共同研究で、JT-60SA プロジェクト用に開発が進められている「2周波数で動作する高速ミリ波導波管経路切替器」が紹介されています。

参考論文

高周波・ミリ波要素部品開発

高周波・ミリ波要素部品開発の一部として、「プラズマ診断」で位相配列アンテナ、「プラズマ制御」で高速ミリ波導波管経路切替器を紹介しました。「プラズマの生成・加熱・維持」や「プラズマ制御」では大電力(MWレベル)伝送が必要となります。大電力伝送で、アーキング(放電破壊)や過熱の問題を軽減するために、伝送電力密度を下げる必要があります。そのために、大電力伝送に用いられる高周波・ミリ波要素部品は、波長に比べてかなり大きな「オーバーサイズ」となります。オーバーサイズ部品では、低次の主要モードだけでなく、多様な高次モードが励起される可能性があります。多様なモードが励起される際には、モード間干渉が起き、アーキング(放電破壊)や過熱の問題が起きます。不要な高次モード励起を抑えるには、きちんとビームを成形し、ビームを真っ直ぐ、導波管の真ん中に結合させることが重要となります。ビーム成形には、位相補正鏡を用いることがあります。光を反射させて「像」を映し出す「魔鏡」の逆過程で、「像」に相当する複雑なモード干渉パターンを、素直なビームに変換します。鏡では反射時の波の位相を局所的に補正(制御)します。大電力ビームで波の位相を測定するのが難しく、位相分布は「再構成シミュレーション」で求めます。この再構成法の実験検証をMIT(マサチューセッツ工科大学)との共同研究で進めました。共同研究で九州大学は「ミリ波位相の高精度測定」で貢献し、現在も導波管伝搬モード比解析について、MIT との共同研究を進めています。

参考論文

導波管伝搬モード測定器の開発をシュトゥットガルト大学、日本原子力開発機構との共同研究で進めています。近年になって、ビームの振幅分布を表すベッセル関数の特徴を生かした測定器を着想し、開発を進めています。

参考論文

不要高次モードの励起過程を精査するには、低次主要モード発生器の開発が必要です。理論的にほぼ100%モード純度で励起できる新モード発生器を着想し、実験的にも98 % 励起に成功しています。詳細は、社会人博士後期過程の工学博士論文としてまとめられています。

ミリ波電界強度・位相3次元分布測定(QUEST装置内試験と低電力テストスタンド試験の様子

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