FUSION2030
Fusion Plasma Working Group

学術課題集
核融合プラズマのサイエンスとその拡がり
ー 52の研究課題から眺望する学術的ランドスケープ ー


本稿は核融合プラズマの学術課題(サイエンスと技術)の魅力・難しさ・未解明な謎・将来の課題・新展開などにフォーカスを置き、52の研究トピックからその学術的なランドスケープを眺望する学術課題集としてまとめたものである。核融合炉の研究は新たなエネルギー源の実現という明確な目的を持って創始された。その挑戦の過程で見出された新たな知見や技術を積み重ねながら、現在、目的研究として生まれた研究は「エネルギー源の実現」という幹から様々な方向に枝葉を伸ばし、「プラズマ物理・核融合科学」という広大な学術領域を形成する形で進化を遂げている。このような進化と発展を強調するため、課題の類別に加え、「目指すもの(output)」と「波及(outcome)」も明示した。これらによって「核融合炉の実現に資する研究」のみならず、「核融合プラズマの難問から諸科学・社会へ拡大する研究」を含む、色彩豊かな核融合プラズマのサイエンスとその拡がりを分野内外へアピールすることを試みるものである。

はじめに 記事の構成と楽しみ方 FPWG構成メンバー
 
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躍動する⾼温プラズマの世界
 1億度を超える高温のプラズマ(原子核と電子が解離したガス)をトーラス状の磁場の中に、あるいは、高強度レーザー照射による圧縮で閉じ込める。このような核融合プラズマでは、太陽を凌ぐほどの強い温度勾配が形成される。極限的な不均一性が駆動する諸現象の中に、強い非線形性と非平衡性が織り成す躍動的な世界を垣間見ることができる。
1.核燃焼プラズマの自己組織化を予測・活用する 2.⾃発形成する断熱層でより熱いプラズマを閉じ込める 3.微細渦が⾃発的に励起されるプラズマ乱流のマルチスケール相互作⽤
4.⾮平衡システムに現れる⾮局所性の起源は︖ 5.異なる物質はプラズマ中でどう混ざる︖ 6.プラズマが不純物を⾃ら吐き出す条件を探る
7.⾼エネルギー粒⼦の損失を⽌めろ︕ 8.突発的な崩壊現象やその予兆を解き明かせ 9.巨視的不安定性をいかにして抑えるか
10.流れを伴う動的な⼒学平衡状態 ―MHD 理論を超えて 11.磁場が描く層・分岐・カオスの起源は︖ 12.磁場とプラズマの圧力がつり合う磁場配位とは?
13.磁化プラズマの巨視的構造形成の謎に迫る 14.プラズマに潜む隠れた対称性をデザインする 15.乱れと磁場の幾何学で紐解く構造形成と機能創発
16.波でプラズマを⾃在に操れるか︖ 17.核融合点⽕を⽬指した爆縮・加熱⾼効率化の挑戦 18.多階層複雑系を要素統合で記述する
19.統合コードでレーザー核融合の点⽕・燃焼を予測する 20.乱流の理解は深化する 21.高エネルギー粒子を計測する!
22.先進的中性⼦計測機で核融合プラズマを診る 23.核融合研究から芽吹く新たなインフォマティクス
相互作⽤するプラズマと物質
 プラズマは第4の物質状態としばしば称される。固体・液体・気体の状態にある様々な物質とプラズマにおける多相間の相互作用の理解は、核融合炉の実現にとって不可欠であるばかりでなく、横断的な理工学課題として根が拡がっている。
24.壁と磁場の形状で熱と粒子を制御する 25.磁場を乱して、壁を守る 26.気体を使って⾼温プラズマを⼿なずけろ︕
27.プラズマと物質が触れ合うことにより起こる現象を理解・制御する 28.核融合プラズマと壁の間で数百MW の熱を散らす
プラズマを⽣み出し加熱する
 超高温あるいは超高密度のプラズマを創りだすための生成・加熱技術は、核融合炉にとって必須のものであると同時に、極限状態を扱う物理学や、産業・医療にも広く波及する技術でもある。先端的な技術開発に動機づけられたサイエンスも拡がっている。
29.波で核融合炉心プラズマを生成できるか? 30.負イオンの物理が拓く高効率粒子ビーム技術 31.繰り返しのできる高エネルギーレーザーの実現
32.核融合プラズマを荷電粒⼦で⾼効率に加熱する 33.非線形場が結ぶ大強度ビーム物理と非中性プラズマ物理の共通性
“燃える“プラズマ
 核融合反応を伴うプラズマ、すなわち、“燃える“プラズマが核融合炉での本質である。いかにして燃料を循環させ、エネルギーを持続供給し、不純物の排出を制御するか?異なる複数の物質が混じり合い循環するプラズマの学理や技術が拡がっている。
34.“燃料”を制すれば、核融合プラズマを制する 35.核融合プラズマにおける粒⼦閉じ込めと粒⼦供給のパラドックス 36.慣性核融合発電炉で⽤いられる核融合燃料ペレット
37.エネルギー付与過程に対応した標的構造のバリエーション 38.磁場閉じ込めプラズマとの相互作⽤による固体物質の均質化過程 39.⾼速⾶⾏の⾼密度プラズマ塊で粒⼦やエネルギーを運ぶ
核融合炉への道
 核融合炉は、炉心プラズマの物理的知見と極限環境を支える工学・技術の収斂のもとに実現される。炉環境における様々な制約を打破するための統合的な理工学研究が進むなか、先進的な概念も生み出されており、将来の核融合炉の多様性が拡がっている。
40.トカマクプラズマの電流分布の最適解は何か︖ 41.突発する⼤熱負荷への備え 42.ヘリウム粒⼦の⼀⽣を追え︕
43.狭い隙間から診てプラズマを制御する 44.核融合プラズマの⾃動運転 45.低アスペクト⽐化トーラスのpros and cons
46.非平衡状態を利用してトカマク型炉心プラズマを手軽に生成したい︕ 47.開いた磁場による閉じ込め(開放系配位)で核融合炉は可能か︖ 48.マイルド核融合プラズマコンセプト︖
49.探究! 次世代高効率核融合発電方式
核融合から新たなテクノロジーへ
 核融合プラズマの研究は次世代のエネルギー開発という意義だけに留まらない。そのなかで培われてきた物理的な理解・概念・方法論や工学技術は、宇宙機開発や環境技術、先端医療などへの水平展開力を持っている。“エネルギー“を超えた波及が拡がりつつある。
50.ミュオン触媒核融合研究の新展開 51.核融合炉が拓く応⽤技術 52.核融合中性⼦を使った未来の癌治療



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Update: 18 August, 2021