核融合炉実用化に向けたプラズマ研究に「アルバプリズム」が貢献 
筑波大学 プラズマ研究センター

『プラズマの熱から炉壁をどう守るのか』原子炉実用化への大きな課題

今後、加速が期待される「核融合炉」の実用化。2025年現在、日本政府は「成長戦略における重点投資分野」のひとつとして、2030年代の実現を目標に掲げています。核融合炉は、海水由来の豊富で安全な燃料を使用し、二酸化炭素を排出しないうえ、高いエネルギー密度を持つという三つの特長を備えています。こうした特性から、わが国のエネルギー問題を一挙に解決する手段として、大きな期待が寄せられています。

現在、核融合炉は科学的実証段階から、工学的実証・実用化準備のフェーズへと進んでいます。しかし、非常に高温となるプラズマへの対処が依然として大きな課題です。

炉心で発生する「炉心プラズマ」は1億℃に達します。このプラズマを強力な磁場で宙に浮かせるように閉じ込める技術はすでに実現されていますが、その周りには数十万℃に相当するエネルギーを持つ「境界プラズマ」が存在します。このプラズマの熱から炉壁をどう守るか――これこそが核融合炉を安全かつ安定的に運用するために必要な技術であり、国際プロジェクトITERや日本の原型炉計画において最重要研究の一つとなっています。

 

プラズマ制御の研究で世界をリードする 『筑波大学プラズマ研究センター』 

筑波大学プラズマ研究センターの江角直道先生は、日本を代表する境界プラズマ模擬実験装置「GAMMA10/PDX」を用い、窒素・水素などの複合ガスとプラズマの相互作用によって境界プラズマの熱流を制御し、炉壁を保護しながら高性能炉心プラズマを維持するための研究に取り組んでいます。

GAMMA10/PDXは、エネルギー問題と地球温暖化の解決に貢献することを基本理念として建設された、世界最大のタンデムミラー型プラズマ閉じ込め装置です。生成されたプラズマの形状、密度、温度、電位、閉じ込め時間など、さまざまな情報をプラズマ点火のタイミングに合わせて計測されています。さらに、新たに建設された高密度なプラズマを定常的に生成可能な超伝導ミラー型装置 Pilot GAMMA PDX-SCでの実験も進められています。

 

ハイスピードカメラ用特殊光学系 『アルバプリズム』とは

同センターでは3台のナック製ハイスピードカメラが使用されており、中でも境界プラズマと複合ガスの反応を可視化するため、特殊光学系「アルバプリズム」を内蔵したハイスピードカメラMEMRECAM ACS-3が使用されています。

アルバプリズム（ArbaaPrism）は、カメラのレンズマウント内蔵型の４分岐プリズム光学系で、ナックイメージテクノロジーの横浜工場にて設計されています。レンズから入射した光をハーフミラーやダイクロイックミラーで4つに分割し、同じ視野の4つの映像をハイスピードカメラのセンサーに同時に結像させます。4つの光路それぞれに異なるフィルタを組み込むことができるのが特長で、江角先生は異なるバンドパスフィルタを組み込むことで、特定の４波長の映像を同時に撮影されています。

 

『アルバプリズム』 が実験のスピードアップと正確性向上に貢献

アルバプリズムを採用された理由とご研究への貢献について、江角先生にお話しをいただきました。

 『プラズマとガスがぶつかると、とても複雑な反応が起こります。その様子を特定の波長で観察することで、高速で流れてくるプラズマのバタつきや、様々な反応の空間的分布などが見えてきます』

『従来、1度の実験で得られるのは1つの波長の映像だけでしたから、アルバプリズムの登場で、4倍スピードアップできたことになります。さらに、1度の実験で4つの波長を同時かつ同じ視野で撮影できるのは画期的でした。毎回まったく同じプラズマが生成されるわけではありませんので、実験結果の正確性の向上に大きく貢献しています』

 

核融合にとどまらない！広がるプラズマ研究の活用分野

また江角先生は、プラズマの研究は核融合のみならず、宇宙・半導体・医療・環境など幅広い分野で活用されていく可能性があると教えてくださいました。

『こうしたプラズマ研究全般において、多波長を同時かつ同じ視野で撮影できるアルバプリズムとハイスピードカメラは非常に有用な計測ツールと言えるでしょう。今後、プリズムのフィルタをユーザーで交換できるようになれば、研究スピードをさらに加速化できます。ナックイメージテクノロジーのこれからの開発に期待しています』

今回、江角先生にはたくさんの興味深いお話をいただくことができました。誠にありがとうございました。

取材協力：筑波大学プラズマ研究センター

 

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