2023年03月17日

生産工　佐々木専任講師ら世界初観測　揺らぎの構造解明へ

プラズマ基礎実験に新展開

生産工学部の佐々木真専任講師（プラズマ・データ解析学）は核融合科学研究所、九州大、京都大の研究者らと共同で、従来研究されていたイオンのミクロな揺らぎよりも100分の１小さい電子の揺らぎの時空間構造を世界で初めて詳細な観測に成功、このほど公表した。今回の揺らぎの観測成果は核融合研究のみならず、宇宙プラズマの諸現象の解明にも貢献することが期待される。

プラズマとは気体を構成している原子が高温になり、イオンと電子が解離する状態を指す。イオンと電子は正負逆の電荷を持ち、質量の差も大きいため、運動の大きさが時間的・空間的に大きく異なる。これらが集団的に運動し、プラズマ内の電磁場などが揺らぐ。この「揺らぎ」がプラズマの熱を逃がしてしまう。

次世代エネルギー源として期待されている核融合発電では高温高密度のプラズマを磁場で閉じ込めて維持する必要がある。しかし、揺らぎによってプラズマから熱が逃げることが課題だった。

近年ではイオンの運動サイズ（イオンスケール）より小さい「電子スケール（電子運動サイズ）揺らぎ」がプラズマの熱を閉じ込めるには重要である可能性が指摘されていたが、わずか数百マイクロメートルの電子スケール揺らぎを観測することが困難だった。

今回、プラズマ中の揺らぎは磁場が弱いほど大きくなることに着目した佐々木専任講師が、磁場を４分の１にすることを提唱。その結果イオンや電子の揺らぎの大きさを４倍にすることに成功し、揺らぎの観測が可能になった。さらに、多くのセンサーを密に並べた「ＰＡＮＴＡ」というプラズマ装置を用いたことで、従来の「イオンスケール揺らぎ」よりも100倍程度の解像度で揺らぎを捉えた。

核融合発電を実現するには揺らぎをうまく制御する必要がある。今回の実験は、核融合炉でプラズマの熱や粒子が逃げるメカニズムの解明につながると期待される。
佐々木専任講師は「今回の発見を今後の研究で生かしていきたい」と語った。今後は観測した揺らぎと熱や粒子の逃げ方との関連性についての実験観測を行い、揺らぎの物理解明に向けた研究を進めていく。