科学技術・学術審議会 研究計画・評価分科会 原子力分野の研究開発に関する委員会核融合研究作業部会(第3回)配付資料 [参考資料1]

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1 臨界プラズマ試験装置 JT-60 チェック アンド レビュー 科学技術 学術審議会核融合研究作業部会重点化に関するタスクフォース平成 18 年 8 月 21 日 ( 独 ) 日本原子力研究開発機構核融合研究開発部門

2 世界最高の性能を達成 1. JT-60 について 平成 8 年 : 臨界プラズマ条件達成 イオン温度 5.2 億度平成 10 年 : エネルギー増倍率 1.25 平成 18 年 :ITER 相当の高性能プラズマの長時間維持 (28 秒間 ) 負イオン源 NBI 入射エネルギー 6300 万ジュール (3.2MW,19.7 秒 ) 年度 S60 S61 S62 S63 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 プラズマ維持時間 高性能プラズマ維持時間 エネルギー増倍率 イオン温度 核融合積 負イオン源 NBI 入射エネルギー 秒 15 秒 10 秒 臨界プラズマ条件達成 プラズマ維持時間 高性能プラズマ維持時間 28 秒 ( 世界第 1 位 ) 6300 万ジュール ( 世界第 1 位 ) 1.25 ( 世界第 1 位 ) 5.2 億度 ( 世界第 1 位 ) 177 億. 秒. 兆個 /cc ( 世界第 1 位 ) 秒 )1 兆 J IP P T - II( 日 ) トカマク 1970 年代 TRIM-1M( 日 ) LHD( 日 ) トカマク型装置 ( 磁場閉じ込め方式 ) エネルギーエネルギー 1000 兆増倍率 Q =1 増倍率 Q =30 トカマク IT E R ( 予測 ) 1990 年代核融合炉 ( 予測 ) JT -60( 日 ) TFTR ( 米 ) Q=1.25 JT -60( 日 ) 100 兆世界記録 5.2 億度 FTU ( 伊 ) 世界記録 C-M OD( 米 ) LHD( 日 ) ヘリカル D III- D ( 米 ) TFTR( 米 ) 2000 年代 JT-60(S63) JE T ( 欧 ) 10 兆 トカマク Q=1.14 達成 1980 年代 JFT -2M ( 日 ) SDEX- W V II- S U( ( 独 ) ) JT -60(H 4) H-E( 日 ) NSTX( 米 ) LHD( 日 ) ヘリカル型装置 閉じ込め時間 中心イオン密度(秒 個/立方センチ0.1 兆 JFT -2a( 日 ) JFT -2( 日 ) LHD( 日 ) GMM-10( 日 ) 球状トーラス装置 ミラー型装置 逆磁場ピンチ型 100 万 1000 万 1 億 10 億中心イオン温度 ( 度 )

3 2. 重点化後の研究の進展 重点化前後の研究内容の変化 重点化前 JT-60 の性能向上 ( 臨界プラズマ条件の達成 世界最高温度等 ) 世界のトカマク研究に追いつき追い越した時代 定常トカマク炉を目指した研究開発 ( 自発電流割合 80% の非誘導運転 (<3 秒 ) 等 ) 原研の構想に基づく先進的な研究 : 世界が後追い ITER 物理 R&D (He 排気の実証 ディスラプション緩和等 ) 世界と同等の有為な貢献 JT-60 の超伝導化検討 重点化後 高ベータ定常化研究 (JT-60) - ITER 相当プラズマを 28 秒間維持 ( 世界記録 ) 改修の開始まで一層高いプラズマ圧力の維持を目指す - 原型炉用高自発電流割合 80% 運転の伸張 (8 秒 ) 改修の開始まで長時間化を目指す トカマク国内重点化装置計画 (JT-60S) - 原型炉で必要となる高出力密度連続運転法の開発 -ITER ではカバーできない特徴を持つ超伝導装置 - 国内トカマク装置の重点化を踏まえ国内共同企画 - 日欧の幅広い計画を踏まえ日欧共同製作

4 時間の積の規格2.1 高ベータ定常化研究 (JT-60) [1] ITER 相当高性能プラズマを 28 秒間維持 2. 重点化後の研究の進展 概ね 1/2 のサイズの JT-60 を用いて ITER の運転を模擬 世界最長 28 秒間維持に成功 ITER JT-60 2m 4m 6m 8m 強磁性体であるフェライト鋼をJT-60 真空容器内に設置し 磁場形状を改良 本成果は の NHK ニュースで放映されるとともに 読売新聞 1 面に掲載された プラ3.5 ズ3 DIII-D マ( 米国 ) 2004 年 2006 年 2.5 圧力2 と1.5 値閉じ1 込0.5 世界の他の JET( 欧州 ) めトカマク装置 持続時間 duration [[s] 秒 ] β N HH y2 電流分布が定常になる時間 JT-60 加熱用ビームの最大連続入射時間 ITER 標準運転に必要な値

5 2.2 トカマク国内重点化装置計画 (JT-60S) [1] 必要性 : 他極が複数のトカマクを保有する中で JT-60 のみに重点化 2. 重点化後の研究の進展 ITER と有機的に連携した国際競争力のある国内体制の構築 1 経済性 / 環境適合性改善に向けた研究開発 2 ITER への科学的知見の提供 ( 国際トカマク物理活動 ) 3 ITER での研究をリードする人材の育成 ITER 燃焼制御の実証 核融合エネルギーの早期実現 ( 出力 万 kw) DIII-D (G 社 ) 米国 NSTX ( プリンストン大 ) lcator C-MOD (MIT) 主半径 (m) lcator C-MOD(1990-) :2.5M/9T (MIT) 主半径 (m) 5 JET (EU-JET 共同体 ) Tore Supra ( 仏 カダラッシュ研 ) TEXTOR ( 独 ユーリッヒ研 ) MST ( 英 カラム研 ) 欧州 SDEX-U ( 独 マックスプランク研 ) TCV ( スイス ローザンヌ ) FT U ( 伊 フラスカッティ研 ) ISTOR ( ポルトガル IST ) 主半径 (m) T-15M ( クルチャトフ研 ) T-15( クルチャトフ研 ) T-11M ( トリニティ研 ) GLO BU S-M ( ヨッフェ研 ) T-10( クルチャトフ研 ) ロシア FT-2 ( ヨッフェ研 ) SST1: 0.22M/3T ( 建設中 ) TUMN-3M ( ヨッフェ研 ) 主半径 (m ) インド 主半径 (m) 主半径 (m) 中国中国 HT- 7U ( 建設中 2004 以降 ) ( 中国科学院プラズマ物理研 ) HL-2 ( 建設中 以降 ) ( 西南物理研 ) HT- 7 ( 中国科学院プラズマ物理研 ) HL-1M( 西南物理研 ) 韓国 主半径 (m) KSTR ( 建設中 2004 予定 ) ( 基礎科学研 ) 科学的 工学的知見の提供 日本 JT-60 ( 原研 ) 経済性改善 トカマク国内重点化装置

6 2.2 トカマク国内重点化装置計画 (JT-60S) [2] 国内核融合コミュニティーとの共同企画 2. 重点化後の研究の進展 H15 H16 年度 : トーラス技術専門部会 ( 吉田部会長 ) 核融合研究 WG 報告書に盛り込まれた装置性能に基づき 装置設計案を物理的及び工学的観点から総合的にレビューし 装置パラメータを取りまとめた 大学等の研究者を始めトカマク研究の専門家が一堂に会して JT60S の研究戦略 プラズマ性能 装置設計について討論 H15 年度トーラス技術専門部会における 重点化装置のレビューに関する討論風景

7 2.3 日欧サテライトトカマク計画 (JT-60S) [1] サテライト トカマクワーキンググループ 2. 重点化後の研究の進展 座長 : 松田慎三郎執行役 EU 委員 :F. Romanelli(CP), J. Pamela, D.Campbell,S.C. Lorenzo, C. Sborchia, J.J. Cordier J 委員 : 菊池満 (CP), 高瀬雄一 ( 東大 ) 三浦幸俊 松川誠 桜井真治 第 1 回 S-WG ( 那珂 ): 平成 17 年 10 月 5 6 日 第 2 回 S-WG ( ガルヒン ): 平成 17 年 11 月 3 5 日

8 2.3 日欧サテライトトカマク計画 (JT-60S) [2] 日欧サテライトトカマク WG の協議に基づく装置パラメータの変更 1. 加熱入力の増強 2. 中性子発生量の増加 3. 遠隔保守装置の追加 4. ダイバータ除熱の強化 プラズマ電流 (M) 大半径 (m) 小半径 (m) フラットトップ 加熱電流駆動パワー 垂直 NBI 接線 Co NBI 接線 CTR NBI 負イオン NBI ECRH PFC 熱負荷 中性子発生量 ( 年間 ) 5.5 / / / 1.02 非円形度 κ / 1.7 三角形度 δ / 0.33 トロイダル磁場 (T) 2.72 / 2.59 表面安全係数 q / s (8 hours) 41 MW x 100 s 16 MW 4 MW 4 MW 10 MW 7 MW 10 MW/m 2 4 x 10 21

9 3. 共同企画 共同研究の強化 3.1 共同企画 共同研究の運営体制の構築 [1] 核融合研究委員会トーラス実験専門部会 戦略的共同企画 共同研究の具体化の検討を行い 核融合研究委員会に提案する 具体的には JT-60 及びそれに続くトカマク国内重点化装置を用いた共同企画 共同研究 双方向的共同研究 及び連携研究の進め方と形態の検討 共同研究促進措置の具体的検討 人材育成の進め方の検討を行う 共同リ l ダ l JT-60 研究テーマ班 領域拡大 総合性能向上 J 東 大 E 高井手瀬 J E 竹永 周辺ペデスタル J E 大山 M H D / 高エネルギ 粒子 J E 武智 J E 朝倉 プラズマ 壁相互作用 J E 正木 JT-60の計画成果の議論 共同リーダーは部会委員 核融合研究委員会トーラス実験専門部会 H17 年度部会長 : 小川雄一教授 ( 東大 ) 大学等 19 名 原研 11 名 年度 ( 開催数 ) 大学等 原研 合計 H13(1) H14(2) H15(3) H16(3) H17(1) 全合計 284 小川部会長 ( 東大 )

10 3.2 共同研究者数の進展 3. 共同企画 共同研究の強化 [1] 参加する研究機関 [2] 研究協力者数 ( 研究機関別 ) NIFS 200 九州大 参加する研究機関は核融合科学研 九州大 京都大 東京大 名古屋大 筑波大 北海道大をはじめ 全部で 28 機関に及ぶ (H18 年度 ) 参加研究機関数 重点化 重点化 京都大東京大名古屋大筑波大北海道大大阪大静岡大慶応大福井大東京工業大東北大信州大 10 0 電中研 5 0 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 年度 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 年度 広島大富山大その他

11 3.3 共同研究の主な成果 (1) 中心ソレノイドなし運転の開発 3. 共同企画 共同研究の強化 トカマク型装置に従来必要と考えられていた中心ソレノイドコイルを用いずに プラズマ電流を生成し 高いエネルギー閉じ込め性能のプラズマを効率的に生成 維持する 革新的な運転手法を世界で初めて実証 ( 平成 14 年 7 月プレス発表 ) 東京大学 京都大学 九州大学 九州東海大学 原研の実験グループ ( リーダー東京大学教授高瀬雄一 ) による本格的な連携協力のもとに達成 中心ソレノイドコイルを省略できれば トカマク型核融合炉において大幅な機器の簡素化が期待でき 小型化 高出力密度化による経済性の向上につながる 従来の運転手法 一次巻線電流 中心ソレノイドコイル プラズマ電流 革新的な運転手法 電子 高周波 自発電流 プラズマ電流 イオン 中性粒子ビーム 革新運転研究グループ ( リーダー高瀬東大教授 ) S. Shiraiwa et al., Physical Review Letters, 2004, Formation of advanced tokamak plasmas without the use of an ohmic-heating solenoid.

12 3.3 共同研究の主な成果 (2) 高周波のピンポイント入射でプラズマ中の乱れを抑制 3. 共同企画 共同研究の強化 京都大学との共同研究 ( 代表 : 長崎百伸助教授 ) 大学と原子力機構の共同研究による成果の相乗効果 プラズマ中に乱れが発生すると圧力が低下 乱れの抑制手法を確立することが重要 実時間で乱れの発生場所を検知して高周波を入射 実時間でのミラー駆動方式による抑制 : 世界初 プラズマ 高周波がプラズマに入射される様子 (JT -60 真空容器の断面 ) 可動ミラーで入射方向を制御 1m 高周波アンテナ 高周波 ( 電子サイクロトロン波 ) 電子のサイクロトロン運動と共鳴 JT-60U では周波数 110 G H z ( 電子レンジの約 45 倍 ) 長崎論文 : Nuclear Fusion 誌ダウンロード数第 4 位. JT-60 真空容器 磁力線の乱れた狭い領域 (3~7 cm の幅 ) を狙って高周波を入射 乱れ発生前の高周波入射がより効果的であることを実証 予防的手法による乱れの発生の抑制 : 世界初 諌山 ( 原研 ) が文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞

13 3.3 共同研究の主な成果 (3) 魔法の鏡が拓くプラズマ計測の最前線 阪大レーザー研との協力 3. 共同企画 共同研究の強化 トムソン散乱はレーザーによる電子の散乱光を分光分析することにより プラズマの電子温度 密度を測定する手法 測定性能のさらなる改善を図るためには 新しいテクノロジーの導入が必要 世界の最先端を行く阪大の位相共役鏡を JT-60 のトムソン散乱計測に世界で初めて応用 レーザービームを位相共役鏡で折り返し 約 2 倍の散乱光を発生させるダブルパストムソン散乱計測法を考案し JT-60においてその有効性を世界で初めて実証 一対の位相共役鏡の間にレーザー光を閉じ込め 測定性能をさらに向上させるマルチパストムソン散乱計測法を考案し 特許を取得 ( 日本国特許第 号 ) 原子力機構 JT-60 核融合の計測技術 融合 阪大レーザー研激光 XII 号最先端のレーザー技術 トムソン散乱計測の測定性能の改善 既存のレーザーシステムに位相共役鏡を組み込み最適化を行った結果 高出力レーザー増幅器で誘起される波面の乱れを完全に補正し 当初の 8 倍を超える出力を得た 世界最高レベルのレーザー性能を達成し トムソン散乱測定精度を改善 平成 17 年 11 月 30 日 プラズマ 核融合学会賞 第 10 回技術進歩賞 を受賞 この受賞は 原子力機構と大阪大学との協力研究の成果が結実したものであり 位相共役鏡を世界で初めてトムソン散乱計測に応用した成果が評価された 吉田 ( 阪大 ) 中塚 ( 阪大 ) 波多江 ( 原子力機構 )

14 3.3 共同研究の主な成果 (4) プラズマ 壁相互作用研究 (STL: 田辺哲朗名大 / 九大教授 ) 3. 共同企画 共同研究の強化 共同研究拠点としての JT-60 全国 12 の大学 研究機関が参加 53 人の研究者 大学院生が参加 各大学の得意とする研究分野を結集 JT-60 という一つのトカマク装置を使ったプラズマ壁相互作用の研究が短期間で総合的 その他 に展開されている 真空容器排ガス分析 燃焼法によるトリチウム蓄積評価 公募型協力研究成果報告件数 207 件 プラズマ 壁相互作用研究 ( 原子力機構 ) プラズマ 壁相互作用研究 ( 大学関係 ) 九州大学 X 線計測法によるトリチウム蓄積評価 富山大学 京都大学 徳島大学 大阪大学 NIFS 名古屋大学 損耗 再堆積現象のシミュレーション解析 北海道大学 静岡大学 東北大学 茨城大学 JT-60 東京大学 昇温脱離分析による水素同位体挙動解明 プラズマ対向機器の機械強度評価 第一壁表面ボロン膜中水素同位体挙動 真空容器内ダスト評価 イメージングプレートによるトリチウム分析 原子力学会論文賞 JT-60U 第一壁におけるトリチウム分布 正木圭 ( 原研 ) 杉山一慶 ( 名大院生 ) 後藤純孝 ( 原研 )

15 4. 重点化後の人材育成 4.1 若手研究者に機会を付与 IE 会議での JT-60 オーバービュー講演者 ( 当該時期のテーマリーダー ) は 40 歳前後 毎回交代し 多くの人材に機会を付与 成果次第で 博士研究員であっても IE 会議で発表 ( 第 20 回 (2004) 第 21 回 (2006)) ITER を見据え ITP 委員に若手を登用仲野友英 (33 歳 ) 浦野創 (32 歳 ) IE 核融合エネルギー会議発表者の年齢 JT-60 オーバービュー講演者 JT-60 からの最若手講演者 実力のある若手研究者を研究班リーダーに例 :H17-18 年度 JT60 研究テーマ班 ( 就任時 ) 周辺ペデスタル班大山直幸 33 歳プラズマ壁相互作用班正木圭 34 歳 西暦 ( 年 )

16 4.2 大学等との連携 協力の下での人材育成の枠組公募型研究協力への大学院生の参加 4. 重点化後の人材育成 重点化後の JT-60 公募型研究協力の進展に伴い 参加する大学院生の人数も増加 平成 年度は約 60 名 博士課程と修士課程の比率は同程度 研究協力に参加する大学院生の数 博士課程修士課程課程不明 重点化 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 年度 研究協力者数 ( 全体 職種別 ) 重点化 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 年度 教授助教授 講師助手大学院生その他

17 論文5. 国際的視点からの寄与 5.1 IE 主催核融合エネルギー会議に最大の寄与をする JT-60 2 年に 1 度世界中の核融合研究者が集まる IE 核融合エネルギー会議 ( 核融合オリンピック ) で ここ 14 年間で開催された 7 回の会議中 6 回で論文数最大 ( 特に 重要で注目度の高い口頭発表件数が多い ) JT-60 JET DIII-D 32 数28 IE 核融合エネルギー国際会議における3つの主要トカマク装置からの論文数 ( 共同論文を含む ) JET( 欧州 ) DⅢ-D( 米国 ) 第 15 回 (H6) 第 16 回 (H8) 口頭JT-60 発表数第 17 回 (H10) 第 18 回 (H12) 第 19 回 (H14) 第 20 回 (H16) 第 21 回 (H18)

18 5.2 JT-60S の国際的寄与 ( 独自性 補完性 ) 5. 国際的視点からの寄与 ITER 支援研究 :JT-60S は ITER を除く世界の他の超伝導トカマク装置より高いプラズマ性能を有し ITER に対して最も大きな貢献が可能 ITER 補完研究 :JT-60S は 原子力機構提案の原型炉設計に最も近いプラズマ形状 ( アスペクト比 ) の超伝導トカマク装置で それに対して最も大きな貢献が可能 中心イオン密度 閉じ込め時間 ( 個 /cm 3 秒 ) 千万 臨界プラズマ条件 JT-60S KSTR( 韓 ) FTU( 伊 ) C-Mod( 米 ) LHD( 日 ) 自己点火条件 ITER EST( 中 ) 実用炉 JT-60 1 億中心イオン温度 ( 度 ) TFTR JET(EU) DIII-D( 米 ) 10 億 1.7m 1.8m 3m 5.5m 6.2m EST (=4.25) KSTR (=3.6) JT-60S (= ) ITER (=3.1) 原型炉設計例 (=2.6) プラズマ小半径 a プラズマ大半径 R アスペクト比 = R a

19 6. 社会的視点からの寄与 6.1 社会への説明責任を果たす形態と実績 (1) ー JT-60 施設への見学者受入れー JT-60 の見学者へ現場の研究者が最新説明 社会への説明の一環 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 見学者総数の推移 堅調 0 ITER 国内サイトが六ヶ所村となり地元見学者減少 H13 H14 H15 H16 H17 年度 その他外国人地元住民報道関係学校団体 学会等企業官公庁国会議員 小中高の生徒と先生の見学者数 増加の一途 H12 H13 H14 H15 H16 H17 年度 先生生徒 施設の安全を確保して 土日の見学者も積極的に受け入れ 研究者による中学生への説明

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