核融合炉システム研究グループ
核融合炉は高温・高閉じ込め性能のプラズマ、超伝導などの先進技術を駆使するエネルギー生産システムですが、様々な技術を統合して魅力ある炉概念を構築するのが「核融合炉システム研究」です。
本グループは、核融合エネルギーによる発電実証を行う核融合原型炉の実現に向け、核融合炉システムの設計を中心に研究開発を進めています。
核融合炉システム研究は、核融合エネルギーや生産した燃料三重水素を取り出すブランケット概念、高温プラズマから壁を保護するダイバータの物理・工学概念、炉心プラズマの物理基盤や制御手法、炉心プラズマを閉じ込める超伝導コイル、炉のメンテナンス手法や廃棄物の再利用など、将来の核融合発電プラントの「要」となる研究を進めるため、物理・工学をはじめ多くの分野の専門家を必要とします。
現在は、欧州の炉設計チームと共に原型炉における重要な共通課題を中心に取り組む「BA原型炉設計活動※1」や原型炉の概念設計を担う産学連携の全日本体制のチームである「原型炉設計合同特別チーム※2」の中核グループとして、最新の研究情報や技術を共有し、大学との共同研究や企業の技術者との検討を通した「共創の場」を通じて、国内の核融合炉開発の基盤を広げる活動も行っています。
原型炉概念：JA DEMO
核融合エネルギーの実用化に備え、2017年に核融合科学技術委員会によってまとめられた報告書「核融合原型炉研究開発の推進に向けて」において、核融合原型炉の目標は以下の3つを実現することと定められています。
1.数十万kW を超える定常かつ安定した電気出力
2.実用に供し得る稼働率
3.燃料の自己充足性を満足する総合的な三重水素増殖
原型炉設計活動では、ITERや軽水炉の技術基盤を最大限活用しながら、ITERの目標達成後21世紀中ごろに発電実証を行うための日本独自の原型炉（JA DEMO）の概念構築に取り組んでいます。※3
関連ページ
関連サイト
BA 国際核融合エネルギー研究センター 原型炉設計活動:
http://www.iferc.org/De_Scope.html#Scope（英語）
プラズマ理論シミュレーショングループ
核融合炉の炉心は「物質の第4の状態」であるプラズマでつくられます。
参考サイト:文部科学省 科学技術週間「一家に一枚シリーズ」未来を作るプラズママップ
(https://www.mext.go.jp/stw/series.html)
核融合装置では核融合反応を維持するため1億度以上の高温に加熱されたプラズマを磁場によって高圧状態で閉じ込める必要があります。このために研究、改良されてきたのがドーナツ型の磁場の「かご」を作るトカマク装置です。プラズマ理論シミュレーショングループではトカマク装置中の炉心プラズマの性質を明らかにし、より高性能かつ制御性のよい核融合炉の実現を支援する研究を行っています。
プラズマは正の電荷を持つイオンと負の電荷を持つ電子がほぼ同数集まって構成されています。このため、プラズマは全体として電気的に中性ですが、外部から刺激を与えたり、プラズマ内部に自発的な「ゆらぎ」が生じたりすると、炉心プラズマ中にはさまざまな電磁波が励起・伝搬されて、イオンや電子の運動と結びつき、多様な渦や流れを作ります。
図1. (左)トカマク装置ではドーナツ上の真空容器に磁場を使ってプラズマを閉じ込めます。点線は磁力線の流れを表しています。(右) 内部キンク不安定性のシミュレーション例。炉心プラズマではしばしばこのような巨視的な流れや不安定性が生じます。
プラズマ中に発生する渦や流れはトカマク装置の閉じ込め性能を評価する上で極めて重要な要素で、これを予測する重要なツールの一つとなっているのがスーパーコンピュータを用いたシミュレーションです。プラズマ理論シミュレーショングループでは、プラズマの構成粒子の軌道を追跡する粒子シミュレーション、プラズマを電気を帯びた連続体とみなす流体シミュレーション、両者を組み合わせたハイブリッドシミュレーションなどを駆使し、炉心プラズマの性能を支配する乱流の性質や突発的に発生する不安定性の性質の解明を進めています。開発したシミュレーションコードは那珂研究所のJT-60U装置、JT-60SA装置を中心とし、世界各国のトカマク装置での研究に応用されています。また、最近ではいよいよ本体の建設に着手したITERへの応用が進むとともに、六ヶ所研を中心に設計が進む核融合原型炉のシミュレーションも始まっています。
図2. シミュレーションの画像ギャラリー
プラズマ理論シミュレーショングループ 数値トカマク(NEXT)計画 公式ページ