担当：石川
研究背景
1億度にも達する高温のプラズマを扱う核融合炉で、装置の壁をどのように守ればよいのでしょうか。
核融合炉では、原子から電子が離れたプラズマを強い磁場で閉じ込めます。その外側へ流れ出した熱や粒子を受け止めるのがダイバータです。ダイバータには大きな熱負荷が集中するため、壁の損傷を防ぎながら熱を処理することが、核融合炉の実現に向けた重要な課題となっています。
その対策の一つが「非接触ダイバータ」です。壁の手前で、プラズマと水素原子・水素分子などの中性粒子を衝突・反応させます。これによってプラズマを冷やし、壁に到達するイオンを減らすことで、壁への熱負荷を軽減します。
本研究で特に注目しているのが分子活性化再結合（MAR）です。これは、水素分子を介して、イオンと電子が中性粒子へ変わる一連の反応です。水素分子を構成する原子の振動状態によっても反応の起こりやすさが変わり、非接触状態でイオンを減らす仕組みの一つとして重要です。
ただし、プラズマ中では、イオンを減らす再結合だけでなく、イオンを生み出す「電離」や、分子が分かれる「解離」なども同時に起こります。熱負荷がどのように変わるかを理解するには、これらの反応を合わせて調べる必要があります。
研究目的
本研究では、非接触ダイバータにおいて、プラズマと中性粒子の反応が、粒子の分布や壁への熱負荷に与える影響を明らかにすることを目指しています。
特にMARに着目し、「どこで、どの反応が起こるのか」「プラズマの温度や密度によって、熱負荷を減らす効果はどう変わるのか」を調べます。将来の核融合原型炉への応用を見据え、より高温のプラズマが流入する条件でも解析できるよう、計算モデルの検証と改良を進めています。
研究方法
本研究では、PIC（Particle-in-Cell）法というシミュレーション手法を用います。電子やイオンの動きを追いながら、その分布によって生じる電場も合わせて計算する方法です。
粒子の運動を扱うことで、平均的な温度だけでは表しにくい、高いエネルギーを持つ粒子の影響などを調べられます。また、時間とともにプラズマの状態が変化する様子も解析できます。
現在は、空間を1次元で表したモデルを用い、水素原子・水素分子の分布を与えて、プラズマとの衝突や反応を計算しています。MARに関係する反応を含める場合と含めない場合を比較し、粒子の密度・温度分布や、壁に届く熱の量がどのように変わるかを調べています。
現在は、空間を1次元で表したモデルを用い、水素原子・水素分子の分布を与えて、プラズマとの衝突や反応を計算しています。MARに関係する反応を含める場合と含めない場合を比較し、粒子の密度・温度分布や、壁に届く熱の量がどのように変わるかを調べています。
結果例と今後の展望
これまでに、供給するプラズマの温度を10 eVと100 eVに設定した条件で、MARに関係する反応の影響を比較しました。（eVは、プラズマの温度を表す際に用いる単位）
予備的な解析では、MARに関係する反応を含めると、含めない場合に比べて、壁熱流束（壁の単位面積に単位時間あたりに届く熱エネルギー）が、次のように減少しました。
この比較は、MARによる熱負荷軽減の効果が、プラズマの温度条件によって異なることを示唆しています。どの反応がこの違いを生むのかを、粒子の分布や反応の起こり方から調べています。
これらは国際学会AAPPS-DPP 2026で発表した予備的な結果であり、十分に落ち着いた状態まで計算できているかなど、引き続き検証しています。今後は、より高温の条件へ解析を広げるとともに、中性粒子の分布の影響も調べます。さらに、研究の進展に応じて、中性粒子自身の移動を扱うモデルや、空間を多次元で扱うモデルへの拡張を検討します。
