連動して発生するプラズマ揺らぎをシミュレーションで解明

王　灏

研究背景

　自然界では、複数の揺らぎが連動して発生する現象がしばしば観測されます。例えば巨大地震では、隣接した領域の地震が連続して発生する事例が報告されています。このように複数の揺らぎが連動して発生する場合には、単独の揺らぎが別々に発生する場合と比較して、より大きなエネルギーが解放され、大規模な現象となります。核融合プラズマでは、高エネルギー粒子が引き起こすプラズマの揺らぎが存在し、高エネルギー粒子の閉じ込めを劣化させることが知られています。一方で、このような揺らぎは、高エネルギー粒子のエネルギーを核融合の燃料イオンに伝達して加熱する役割が期待されています。このように、高エネルギー粒子が引き起こす揺らぎは核融合研究の重要な課題であり、その中でも連動して発生する揺らぎは大規模現象に発展するため、特に注目される現象です。

　ドイツのASDEX-Upgrade実験装置において、連動して発生する二つの揺らぎが観測されました。ASDEXは「Axially Symmetric Divertor EXperiment」の略称で、ASDEX-Upgradeはドイツ・ガルヒングにあるマックスプランクプラズマ物理研究所に設置されているトカマク型磁気閉じ込め核融合実験装置です（図1）。これらの揺らぎは高エネルギー粒子が引き起こしたものだと考えられていましたが、なぜそれらが連動して発生するのか、その詳細な機構は分かっていませんでした。

研究成果

　核融合科学研究所とマックスプランクプラズマ物理研究所の研究者が協力して、二つの揺らぎが連動して発生する物理機構を解明するために、シミュレーション研究を行いました。

　核融合科学研究所では、高エネルギー粒子が引き起こすプラズマの揺らぎをシミュレーションできるコード「MEGA」を開発しています。このシミュレーションは、粒子と流体の二種類の計算を連結して同時に進めるため、ハイブリッドシミュレーション※1と呼ばれています。MEGAコードは国内外の実験装置に適用され、多様な実験結果との比較によりその有効性が実証されています。今回、核融合科学研究所の研究チームとドイツの共同研究者はスーパーコンピュータ上でMEGAを用いたシミュレーションを実施し、ASDEX-Upgrade実験装置で観測されていた、二つの揺らぎが連動して発生する現象の再現に成功しました。シミュレーションでは、最初に周波数103キロヘルツ（1キロヘルツは1秒間に1,000回の振動）の第一揺らぎが高エネルギー粒子によって引き起こされ、続いて周波数51キロヘルツの第二揺らぎが発生して、第一揺らぎよりも大きな振幅に発達しました（図2）。このシミュレーション結果は実験結果と一致しています。

　第二揺らぎの発生機構を明らかにするため、高エネルギー粒子の分布関数の時間発展を調査しました。分布関数とは、プラズマの各位置で、どの速度やどのエネルギーの粒子がどれくらい存在するのかを表すものです。この分布関数の形状は揺らぎの発展と深く関係しており、分布関数の形状が原因で揺らぎが発達する、高エネルギー粒子が揺らぎの影響を受けて分布関数が変形する、といったことが起こります。そこでシミュレーション結果を詳細に解析したところ、第一の揺らぎが成長すると高エネルギー粒子の分布関数が大きく変形し、その変形が原因で第二の揺らぎが発生していることを突き止めました（図2）。つまり、初めの揺らぎによって生じた高エネルギー粒子の分布関数の変形を介して、二つの揺らぎが連動して発生していることを明らかにしたのです。

研究成果の意義と今後の展開

　核融合エネルギーを実現するためには、核融合反応によって発生する高エネルギー粒子がプラズマを加熱し、核融合反応を持続させることが必要です。そのためには、高エネルギー粒子をプラズマ中に効率良く閉じ込めることが求められます。揺らぎが連動して発生すると、高エネルギー粒子の大規模な損失につながる可能性があります。本研究で解明した物理機構の知見を活用することにより、揺らぎの連動発生を抑制する手法の開発に貢献できます。また、この物理機構を利用して、励起が難しい第二揺らぎを第一揺らぎから発生させて、燃料イオンの加熱に役立てることも可能になるかもしれません。さらに、宇宙プラズマでも、波の種類は異なるものの、高エネルギー粒子が引き起こす揺らぎの連動が観測されています。本研究で開発した、高エネルギー粒子分布関数の解析手法は宇宙プラズマへの適用も期待されます。

　今後は、高エネルギー粒子と燃料イオンの両方を計算するシミュレーションを実行し、連動する高エネルギー粒子励起揺らぎにおける、燃料イオンの役割や燃料イオンへのエネルギー伝達を研究することを計画しています。