データ科学で未踏空間「プラズマ位相空間」に迫る

小林達哉

研究背景

　カーボンニュートラル社会の実現に資する新たな電力源として、フュージョンエネルギーの研究開発が進められています。核融合科学研究所では、大型ヘリカル装置（LHD）を用い、核融合に必要な磁場閉じ込めプラズマの研究が行われています。プラズマは、気体を加熱しイオンと電子に分離することで生成されます。プラズマが他の物質と大きく異なる点は、密度の低さです。磁場閉じ込めプラズマの密度は大気の100万分の1程度でしかなく、構成粒子同士の衝突がごく稀にしか起こりません。その結果、「速度分布関数」と呼ばれる粒子運動のヒストグラムに歪みが生じます。速度分布関数の歪みは、プラズマの急激な温度の変化や流れの発生などを引き起こします。

　プラズマの速度分布関数を知るために、プラズマから出てくる光を計測する、分光計測がよく用いられます。光の総量は限られているため、これまで速度分布関数の時間変化を計測するためには、空間的な分解能を諦めなければなりませんでした。一方で、速度座標と空間座標で分解したプラズマの「位相空間分布」の変化を知ることは、プラズマの運動を予測・制御し、核融合発電炉を実現させるため必要不可欠です。

研究成果

　医療分野などで用いられるトモグラフィ技術を活用することで、プラズマ位相空間分布の高精度計測を行うことに成功しました。

　本研究では、従来の「高分解分光装置」と「高速分光装置」に加え、「高速発光強度計測器」を新たに導入し、3種類の計測器の連携運転を行いました。得られたデータを統合し、トモグラフィ解析を行うことで元のプラズマ分布を再構成しました。その結果、速度座標と空間座標で分解した位相空間の計測を、世界で初めて1万ヘルツ（1秒間に1万回）の高速で行うことができるようになりました。トモグラフィ技術の応用で、これまでの2百ヘルツから50倍の改善に成功しました。

　開発された計測手法は、LHD実験において、プラズマ粒子とビーム粒子が波動を介してエネルギーをやり取りする現象の観測に適用され、位相空間分布の歪みの変化を明らかにしました。プラズマ中では発生した波動と近い速度で運動する粒子が、波動からエネルギーを得て加速されることが知られています（波動-粒子相互作用）。この現象は、ちょうどサーファーが波と同時に移動することで加速されるのに似ています。波動を介したプラズマ加熱は、高効率のフュージョンエネルギーを実現する上で不可欠の要素です。これまで、波動は主にドーナツ状のプラズマの輪の方向に進み、プラズマと相互作用すると考えられてきました。位相空間トモグラフィにより、これまで発見されていた右回り（磁力線の向きと反対方向）に進行する波動に加え、右回りの波動と左回りの波動が同時に発生するケースが新たに発見されました。同時発生する波動はより多くの粒子を加速するため、効率の良いプラズマ加熱につながると考えられます（図2）。

研究成果の意義と今後の展開

　本研究により、異なる計測器を連携運転し、機器それぞれの性能を上回るパフォーマンスを得られるようになることを実証しました。今後この計測技術は、フュージョンエネルギー実験装置での研究に活用され、速度分布関数の情報に基づくプラズマ制御などに役立てられると期待されます。また、近年のデータ科学的アプローチの進展を受け、さらなる計測性能の向上を目指した解析技法の探究が行われています。衝突の少ないプラズマは、磁場閉じ込めプラズマだけでなく、天体、太陽、オーロラなどでも共通に見られます。従って、これらの異なる系でも、プラズマ位相空間分布の詳細計測が望まれています。位相空間トモグラフィは、今後異分野でも活躍することが見込まれています。