| 研究課題/領域番号 |
21H04973
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| 研究種目 |
特別推進研究
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
居田 克巳 核融合科学研究所, その他部局等, 特任教授 (00184599)
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| 研究分担者 |
藤堂 泰 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (00249971)
山田 弘司 核融合科学研究所, その他部局等, 所長 (20200735)
伊藤 公孝 中部大学, その他の部局, 顧問 (50176327)
篠原 孝司 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50354600)
徳沢 季彦 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (90311208)
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| 研究期間 (年度) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
624,650千円 (直接経費: 480,500千円、間接経費: 144,150千円)
2025年度: 20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)
2024年度: 29,900千円 (直接経費: 23,000千円、間接経費: 6,900千円)
2023年度: 148,200千円 (直接経費: 114,000千円、間接経費: 34,200千円)
2022年度: 232,440千円 (直接経費: 178,800千円、間接経費: 53,640千円)
2021年度: 193,960千円 (直接経費: 149,200千円、間接経費: 44,760千円)
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| キーワード | 位相空間揺らぎ / 核融合プラズマ / 磁気圏プラズマ / 位相空間乱流 / ランダウ減衰 / 通過時間減衰 / 無衝突エネルギー移送 / 位相空間 / 位相空欄乱流 / 輸送パラダイム / 輸送 / 核融合プラズ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
強い非平衡開放系である核融合プラズマの輸送（熱流束と温度勾配の関係）はプラズマ中に発生する揺らぎで決定されることがわかっている。いままで、密度、温度、流速などの実空間における揺らぎのパターン（いわゆる乱流）が研究されてきた。しかし、速度空間におけるマクスウェル分布からのずれ（歪み）の揺らぎは研究されていなかった。本研究課題では、速度空間歪みの揺らぎの計測装置を開発して超高温プラズマ発生装置に設置、実空間の揺らぎ（乱流）と速度空間の揺らぎの両者を観測する。そして、揺らぎの研究を従来の「実空間」から「位相空間」へと拡張し、非局所輸送やヒステリシスなどの謎を解きえる新しい輸送パラダイムを探求する。
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| 研究実績の概要 |
・位相空間トモグラフィ手法：位相空間トモグラフィ手法の実験データへの適用を進めた。実験条件の異なる場合のデータを複数取得し、分布関数応答がどのように変化するかを議論した。これらの解析法を応用したことで、位相空間揺らぎの分岐現象を大型ヘリカル装置（LHD）で発見し、The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)にまとめた。
・電子の速度分布関数の歪み計測：前年度までに開発を行ってきた電子サイクロトロン放射強度測定システムのプラズマ計測への適用を諮った。計測システムの実証試験として、京都大学のヘリオトロンJプラズマを対象として、同装置の上部ポートに真空窓を設置し、開発したミリ波集光光学系とラジオメータを用いてプラズマからの放射光を測定した。
・MHDハイブリッドシミュレーション：運動論的MHDハイブリッドシミュレーションによる高エネルギー粒子励起不安定性の研究では、位相空間分布解析を高エネルギー粒子だけでなく熱イオンにも適用して、波動を中継した高エネルギー粒子から熱イオンへのエネルギー移送過程を解析した。イオンサイクロトロン周波数帯波動によって加速された高速イオンが励起するアルヴェン固有モードのシミュレーションを実行し、高速イオンの位相空間ゆらぎがもたらすAEの多様な時間発展を研究した。
・本研究の学際的展開を図るために、地球磁気圏から電離層に振り込んでくる非マックスウエル分布の電子の平均速度とイオンの速度分布をオーロラの光の強度比から推定するための2次元分光装置を製作し、スウェーデンのキルナで観測を行った。オーロラ爆発時の電子のエネルギーをライン比から求め、1.6keVであることを見出し、Earth, Planets and Spaceで発表した。偏光特性も同時に計測することを目指したシステムを作った。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
JT-60SA装置での測定を目指した荷電交換分光測定システムについては、本体室のジャンクションボックスから計測室のジャンクションボックスまで光を伝送する1600本の光ファイバー、２箇所の観測窓を取り付けられた２個のポートプラグと本体室のジャンクションボックスまでの800本の光ファイバーバンドル２セットの製作も終了している。分光計測を行うための分光器システムも、すでに３台が製作終了している。JT-60SAの本格的実験には遅れが生じているが、計測システムのR&Dを行うLHDの運転は３年の延長が認められ、十分なR＆Dの期間が確保できた。またR＆Dで行った観測において、無衝突エネルギー移送の質量依存性が観測されるという実験結果に加えて、位相空間揺らぎの分岐現象という新しい発見があり、計測器のR＆Dをはるかに上回る研究成果が得られた。
JT-60SA装置での測定を目指した電子サイクロトロン放射強度測定システムについては、i)ミリ波伝送路のコンポーネント、ii)放射光を受信するラジオメータは政策を終えた。当初予定には含めていなかったが、トムソン散乱計測を用いてLHDプラズマを対象に、速度分布関数の変化を観測できる可能性を調査し、非マクスウェル成分によると思われる散乱光のスペクトル強度の変化が得られている。この方式での観測が実証できれば、当初想定以上の成果を得ることができると期待される。
当初は、学際的発展として位置付けられていたハイパースペクトルカメラによるオーロラの分光に関する研究が予想外に進んだ。ここでは磁気圏プラズマの電子の位相空間のの情報を、オーロラ分光で得ることができた。オーロラ爆発時には電子のエネルギーが急に増加して1.6keVに達することがわかった。また、共鳴散乱のオーロラの発光の時間変化から、窒素分子イオンの高度分布を求めるという新しい研究手法を開発した。
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| 今後の研究の推進方策 |
位相空間トモグラフィ手法の実験データへの適用は、2026年度に最終となるLHD実験データでも行い、位相空間揺らぎの研究を継続する。JT-60SA装置に設置予定の高速荷電交換分光システムは、2025年末でLHDを使ったR＆Dを終了する。その後は、2026年度または2027年度に量子科学技術開発機構へ計測装置一式の移設を行う。
JT-60SA装置での測定を目指した電子サイクロトロン放射強度測定システムについては、設置ポートの調整を引き続き行う。
ハイパースペクトルカメラによるオーロラの分光は、偏光を利用して電子の速度の異方性という新しいテーマにチャレンジする。製作した偏光ハイパースペクトルカメラは、将来は南極の昭和基地に設置する予定であるが、その前段階として国内におけるテスト運用を信楽MU観測所で行う。
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| 評価結果 |
中間評価
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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