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核融合発电やその他プラズマ技术に応用するためのプラズマの研究。
新时代のエネルギー创出を目指す核融合発电。
私たちの身の回りにはプラズマ技术が応用された製品も多く、プラズマという言叶も広く知られるようになってきました。プラズマは物体の第4の状态と言われており、分子を気体の状态からさらに加热し、原子から电荷さえもバラバラになったものを言います。非常に反応を起こしやすい状态で、大量の热を持ちながら様々な波长の光を出しているのが特徴です。私の研究ではプラズマを使った核融合発电?応用技术の実现に向け、プラズマ现象を解明するための计测や解析などを行っています。
まずは各国が実现に向けて取り组んでいる、核融合発电についてお话ししましょう。核融合発电は原子核同士が融合する际に出る非常に大きなエネルギーを利用した発电方法で、水素を原料としています。この発电方法のメリットとしては、温暖化ガスや高レベルな放射线が出ないこと、水素という入手しやすい原料を使うため地政学的リスクが低いことに加え、爆発などの恐れがある暴走が起きないことが挙げられます。これは高温状态を维持することで初めて反応が促されるプラズマの特性によるもので、少しでも温度が下がるとエネルギーを生み出すことができません。核分裂反応を利用した现在の原子力発电はこの逆で、重い原子が分裂する际に出るエネルギーを利用しており、人间が制御しなければ反応を続けて暴走してしまいます。安全で环境にも优しい発电方法の実用化が世界でも急がれており、核融合発电において日本は欧州（贰鲍）、アメリカ、ロシア、中国、韩国、インドと协力して国际热融合実験炉（滨罢贰搁）の立ち上げを进めています。
現在課題となっているのはプラズマが反応できる高温状態(1億度程度)を保つこと、そして高温のプラズマを受け止める炉構造や制御手法の開発です。プラズマを高温に保つための制御手法や、高温のプラズマに長時間耐えられる素材の開発などが今後注目される研究対象となるでしょう。今年ヨーロッパの装置(JET)で行われた実験では、核融合発電に使う燃料を用いて69 MJの核融合エネルギーを生成することに成功しています。まだ石炭2 kg程度のエネルギーにしか達していませんが、現在のエネルギー問題の多くを解決できる発電方法として実用化が待望される技術です。
様々な分野で応用するためにプラズマ现象を解き明かす。
カスケードアーク放电プラズマ装置罢笔顿の全体図。高密度プラズマの応用技术であるプラズマウィンドウの研究や高密度プラズマ中で生じる现象の解明を行っている。
前述した核融合発电は电荷を持つプラズマが磁场に巻きつく性质を利用した、磁场闭じ込め方式で行われます。研究ではトモグラフィ计测を行い二次元?叁次元的にプラズマの流れの见える化に挑戦しました。例えるならプラズマに颁罢スキャンをかけるイメージで、プラズマ乱流の3次元构造データを取ることができました。炉内ではプラズマ中心部が最も高温となるため温度が低い外侧へ向けて乱流が热を吐き出します。热が逃げるとプラズマが冷えて核融合反応が起こりにくくなるので、乱流の抑制は核融合発电実现に向けて非常に重要な课题です。トモグラフィ计测を用いることでプラズマ乱流の未解明な性质を明らかにしたり、乱流を制御する方法を考えたいと思っています。
また、核融合発电とは别に高密度プラズマの开発も行っており、溶接などに用いる电子?イオンビームの活用を助ける研究も进めています。これらのビームは真空でしか使えず、现在は真空容器に入るサイズの物しか対応できません。これを大気圧中でも使えるようにするのがプラズマウィンドウと呼ばれる応用技术です。高温高密度のプラズマは、窓のように大気圧と真空を隔てることができます。
ガラスや金属などを用いずに大気圧と真空の圧力差を维持できるため、ビームを真空からプラズマウィンドウ、そして大気中へとそのまま通过させ溶接に用いることができます。実用化のためには、これまで以上に高い密度のプラズマ、言うなればより强力な窓を长时间生成する装置が必要です。そこで円筒状の电极、ホローカソードを开発し、改めて検証を行いました。以前は小さい针状电极を用いており热负荷による损耗が问题视されていましたが、表面积の広い円筒电极を用いることで损耗が軽减され、高密度プラズマを安定的に生成することができました。
ヘリウムプラズマを生成している様子。&苍产蝉辫;1-2万度程度の温度に达するプラズマが生成されている。
予想通りにいかないプラズマと向き合う奥深さ。
私がプラズマについて知ったのは高校生の顷でした。当时は地球温暖化といった环境问题、エネルギー危机意识が社会的に高まっており、クリーンなエネルギーにはどんなものがあるかと调べる中で核融合発电という方法を知りました。その顷からプラズマの可能性や面白さに惹かれて大学で学びたいと思うようになり、研究者を目指すようになりました。プラズマの魅力は、様々な现象が同时に起きている点です。热だけでなく电场、磁场、圧力といった力の影响を受けて起きる不思议な现象を相手にしているので、研究が予想通りに进まないこともままあります。
どうしても既存の研究や自分の理解の范畴で物事を考えてしまいがちですが、先入観に囚われず、そのとき目にしている対象にしっかり向き合うことを心がけています。自分の想像通りに计测が上手くいってももちろん嬉しいですし、新しい発见があると想像力を掻き立てられて面白さを感じます。新しい一面や深い部分を知るたびに亲近感が涌いてくるのですが、谜もまだまだたくさん残っています。今后はまだ解明が进んでいないプラズマ内に存在する中性粒子の役割を调べてみたいと思案しています。
ちなみに、研究室にある実験装置は一人では动かせないので、学生と一绪にデータを取っています。この研究室に来る学生の就职先としては、最近は半导体関係が増えてきています。半导体製造时のエッチングやパターンを刻むための光源などにプラズマの技术が関係しており、そういったことに兴味がある人も歓迎します。身の回りに存在する物质の中で最も热いプラズマは、研究対象としてもアツくて不思议に満ちています。きっと面白いことを见つけられるはずなので、刺激が欲しい方はぜひ研究室を访ねてください。
YAMASAKI KOTARO
2016年3月 東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻博士後期課程 修了 博士（工学）
2016年4月 九州大学応用力学研究所 学術研究員
2020年12月 広島大学大学院先進理工系科学研究科 機械工学プログラム 助教
