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核融合専門部会報告書


昭和43年5月29日
原子力委員会核融合専門部会

 原子力委員会
  委員長 鍋島 直紹殿

核融合専門部会
部会長 菊池 正士

 核融合専門部会は、原子力委員会からの下記の諮問事項および審議事項に関し、昭和42年7月の第1回会合以来6回にわたって審議を重ね、また研究小委員会および体制小委員会を設け、それぞれ8回および4回の会議を開催し、開発計画と開発体制について検討を行なってきました。

 このような慎重審議の結果、今回ここに報告書をとりまとめましたので報告いたします。

 この答申が原子力委員会の強力な施策として実現されるようお取り計らい方をお願いします。

諮問事項: 核融合反応の実現を目的とする研究開発に必要な第1段階の実験装置を開発するための具体的方策について
審議事項: (i)第1段階の実験装置の型式と規模について
(ii)第1段階の実験装置の設計および製作ならびにこれによる実験等の研究計画について
(iii)具体的開発体制および大学、民間企業に協力を期待する事項について

核融合専門部会構成

部会長
  菊池 正士  東京理科大学学長
専門委員
  伊藤  博  大阪大学教授
  宇尾 光治  京都大学教授
  岡本 耕輔  理化学研究所主任研究員
  神原 豊三  (株)日立製作所中央研究所所長
  駒形 作次  三菱原子力工業(株)顧問
  嵯峨根遼吉  日本原子力発電(株)副社長
  関口  忠  東京大学教授
  長尾 重夫  東北大学教授
  伏見 康治  名古屋大学プラズマ研究所所長
  藤波 恒雄  科学技術庁原子力局長
  宮地  茂  文部省大学学術局長
  宮本 梧楼  東京大学教授
  森   茂  日本原子力研究所主任研究員
  森  英夫  通商産業省工業技術院電気試験所研究企画官
  山本 賢三  名古屋大学教授
  吉村 久光  日本大学教授
  和田 重暢  東京芝浦電気(株)中央研究所所長
幹事
  根岸 正男  科学技術庁原子力局技術振興課課長
  清水 茂行  〃      〃    技術振興課
  堀内 昭雄  〃      〃    原子力開発機関監理官付
  佐々木寿康  〃      〃    技術振興課
  倉持 哲士  〃      〃    政策課
  小倉 義弘  〃      〃    技術振興課
  加藤 康弘  〃      〃    調査課

研究小委員会構成

委員長
  山本 賢三  名古屋大学教授
委員
  板谷 良平  京都大学教授
  伊藤  博  大阪大学教授
  宇尾 光治  京都大学教授
  大西 晴幸  日本大学助教授
  岡本 耕輔  理化学研究所主任研究員
  佐藤 正知  日本大学助教授
  関口  忠  東京大学教授
  高山 一男  名古屋大学プラズマ研究所教授
  寺島由之介  名古屋大学プラズマ研究所教授
  長尾 重夫  東北大学教授
  伏見 康治  名古屋大学プラズマ研究所所長
  宮本 梧楼  東京大学教授
  森   茂  日本原子力研究所主任研究員
  森  英夫  通商産業省工業技術院電気試験所研究企画官
  吉村 久光  日本大学教授
幹事
  円城寺 博  理化学研究所
  笹倉  浩  日本原子力研究所東海研究所
  杉浦  賢  通商産業省工業技術院電気試験所田無分室
  田中 正俊  日本原子力研究所東海研究所

体制小委員会構成

委員長
  菊池 正士  東京理科大学学長
委員
  駒形 作次  三菱原子力工業(株)顧問
  峨峨根遼吉  日本原子力発電(株)副社長
  関口  忠  東京大学教授
  伏見 康治  名古屋大学プラズマ研究所所長
  山本 賢三  名古屋大学教授

1 状況判断とわが国のとるべき方策

(i)世界の状況について
 欧米で過去十数年間巨額の研究費を投入し精力的に行なわれた多種の実験研究装置は、いわゆる第一世代の機械といわれ大型機にまで発展したが、その殆んどのものは所期の目的を達しえなかった。

 しかし、それらの研究により、ミラー型およびトーラス型磁気びんにより聞込められたプラズマの不安定性、ビーム入射、テーター・ピンチ、高周波などによるプラズマ加熱の機構、各種のプラズマ診断法などに関し、着実に理論的、実験的知識を積重ね、新しい学問であるプラズマ物理と高温プラズマ実験技術をかなりの程度に確立させたということができる。

 米、ソ連、英、独、仏の諸国は、このような研究開発の基礎がためと共に当初より核融合達成をめざした研究の組織体制を整備しているので、今後の発展に対してもよく備えられているといえよう。

 零出力核融合炉達成に至る道筋は、上記の諸研究により次第に整理されつつあるが、いまなお単一の路線に確定することはできない。しかし、その中で特に一つの段階を画したものとして、大河-kerst両氏創案による軸対称性トーラス装置の研究がある。

 これは従来の停迷を破り、トーラスによるプラズマ閉じ込めにつきまとう不安定性の抑止に成功したもので、1965年英国カラムで開かれた核融合国際会議で世界的な注目を浴びた。

 その後に行なわれた詳細な実験と理論的解析は共によくこの成功を裏付けるものであった。

 米国原子力委員会のトーラスに関する特別委員会は、1967年9月に報告書を提出し、ここに拓かれた新しい核融合研究の路線を強力に支持し、いくつかのこれに属する研究計画の実施を指示している。

 各国はいま一斉にこのスタートラインについているといえる。

 今後の数年間は、この線に沿い核融合実現に向って一般の飛躍があるものと予想される。

 なお、チーター・ピンチで代表される高ベーター装置は、現段階では最も零出力核融合炉に近い条件を達成し、その意味で魅力的であるが、なお基本的に不明の点が多い。

 また、ミラー型、カスープ型で代表される開口系装置は不安定性および粒子損失の観点より単独の型としては炉となるために満すべき条件が苛酷であり、その将来の発展性については、現時点では判定し難いと見られている。

(ii)わが国のとるべき方策
 わが国の核融合研究の基本方針については、旧核融合専門部会(部会長 湯川秀樹)より昭和34年8月、「大学関係の研究基盤の育成、充実を優先させ、科学技術庁関係研究機関は当分これに協力しつつ、適当な時点における研究規模の拡大に備えて研究人員の養成および研究実力の函養を計るべきこと」が答申された。

 以来これに基いて、プラズマ研究所が設立され、大学の研究の充実が計られ、一方、科学技術庁関係の研究機関は小規模な開発研究を行なって今日に至っている。

 このようにわが国は、消長の激しかった第一世代期に大型装置を建設せず、基礎的研究、小規模な開発研究、人材養成を効果的に行ない、相当な成果を上げ、きたるべき核融合研究の飛躍にそなえて準備がなされたといえる。

 また、日本学術会議核融合特別委員会において昭和38年11月より昭和41年10月まで将来計画に関する諸作業が行なわれ、わが国のとるべき研究の方針と方策について絶えず検討が重ねられてきた。

 引き続き、原子力委員会長期計画専門部会(核融合分科会:昭和41年10月〜12月)からは上述の諸審議を参考とし、また昭和40年のカラム会議以降の世界情勢の新しい転機にかんがみ、「科学技術庁関係研究機関は核融合を明確な目的とする総合的研究を昭和44年度よりプロジェクト的に推進すべきこと」が答申された。

 以上に基き当部会はさらに最新の情報を加えて慎重に審議した結果、基本方策として在来の消極策を早急に脱却すべく、科学技術庁関係の研究体制を新たに再整備し、トーラス安定閉込めを中心とした総合装置的プロジェクトを速やかに開始すべきであり、また現時点はこの開発研究に直ちに着手すれば、世界の水準に追いつき、さらに追い越す途が拓かれる絶好の時期であると判断した。

 そのためには強力な新組織のもとにベーター値の低い側からトーラスの開発研究に着手し、その際わが国として特に経験の浅い装置、実験に関連する技術を開発しつつ、研究の速度と質を一層高めることが肝要である。

 併せて将来に備えて、発展性のある高ベーター装置の準備的研究開発を出発させることが必要である。

 なおこの究研開発を着実に進展させるには、基礎研究人材養成に負うところが大きいのでそれらの強化されることが特に重要である。

2 開発計画(審議事項(i)および(ii))

 第1段階の計画としては トーラス開発研究を主計画とし、中間ベータ値軸対称性トーラスを主装置とする。

 副計画として、テーターピンチ装置による高ベーター研究開発を併せて実施する。

(i)型式の選定理由
 核融合研究装置としてはプラズマ閉込め用磁気びんの構成に従って、閉路系と開口系に大別され、前者には数種類のトーラス型があり、後者ではミラー型とカスプ型が代表的である。

 これら約10種類の型式の装置は何れもさまざまの不安定性を生じ、既に明らかに発展の見通しを失ったものもある。

 ミラー型は安定化についてみのりの多い研究が行なわれヨッフェの極小磁場形成により最も激しい(交換型)不安定性を解決したことは近時の最大の進歩であった。

 しかし、なお両端よりのプラズマ損失による円錘角不安定性の問題が残り、俄かに解決をみることは期待できないとされている。

 また、カスプ型はカスプ端損失が甚大でその対策に明かるい見通しはない。

 一方、閉路系は完全に閉じたびんを形成するので、それ自体すぐれた方式であるが、在来型として代表的なステラレーター型についていえば、トーラス効果除去と安定化のため複雑かつ極めて精度の高い磁場構造を必要とし、それを克服しつつ長年にわたる細心の実験を行なったにもかかわらず、原因不明のプラズマ異常流出に悩まされて今日に至っている。

 しかるに最近になって、現ガルフ・ゼネラルアトミック社の大河干弘およびウィスコンシン大学のKerst両氏は軸対称の磁場をもつ内部導体方式(マルチポール型ともいう)のトラースに閉込めたプラズマが弱い不安定性の徴候さえなく存在することを験証し、併せて異常流出を極度に抑止することに成功した。

 これに基きプラズマ安定化の三支配要素(平均極小磁場の谷の深さ、内外の磁力線のずり、磁力線の連結距離)が見出され、それが理論的、実験的に根拠づけられとくにトーラスによるプラズマ安定閉込めの物理的基礎と具体的方策の示唆が与えられるに至った。

 その後、在プリンストン大学の吉川庄一氏は、これをさらに発展させたスフェレーター装置を考案し注目されている。

 このように、軸対称性トーラスは在米ではあるが日本人の創意にもとづき、その手により成果を得て世界の指導的役割を果している装置であり、また、核融合研究の新しい出発点という点で早急に着手すれば先進国と同列に並び得るので、わが国は直ちにこの路線に主力を注ぎ、すみやかに世界の第一線の水準に達することを期すべきであると判断した。

 ただしこの装置の設計、製作上あるいはプラズマ生成、加熱、診断を含めた実験の遂行上、さらにこの計画を発展させる場合、それらの技術の準備はわが国では充分にはなされてないので、その研究開発は甚だ重要である。

 なお、データー・ピンチは高温高密度(したがって高ベーター値)のプラズマの発生では最も成功している方式であるが、高ベータープラズマのふるまいは、なお未解明のところが多い。

 トーラスプラズマが核融合条件に近づくに従ってベーター値は高まるので、その準備的開発研究としてとりあげる。

(ii)第一段階の実験装置と実施計画
 第一段階の本計画は一部(予備実験)を除き、昭和44年度に着手し5ヵ年を以って終る。
(a)トーラス計画(総額26億5,000万円、所要期 間5ヵ年、人員145名)
 この計画は中間ベーター値軸対称性トーラスを中心として実施されるが、支援的に小計画が随伴する。
○低ベーター値軸対称性トーラス予備実験(9,800万円) 小規模のベーター値0.001程度のトーラス装置による予備実験計画である。

 世界の趨勢よりみて着手を急ぐため、特に昭和43年度に開始し、昭和44年度に終る。

 目的主旨はこの種のトーラスの設計・製作・実験・理論に習熟し、特に第一段階の中心的装置である中間ベーター値軸対称性トーラス(次項)の設計・製作およびそれによる実験研究に必要な資料を早急に得ることにある。(なお、この装置は昭和45年度以降は高ベーター化や装置改装の試行および加熱・診断研究などの予備試験に利用する。)

○中間ベーター値軸対称性トーラス(18億1,200万円)
 現在よりみて2乃至3年後には世界の研究は低ベーター領域の基礎固めを終り、中間ベーター(約0.01)に進むものと予想される。

 本計画はその時点で、この中心的課題に関し世界の水準に並ぶことをねらうもので、5年間にわたる第一段階の研究期間において最重点をなすものである。

 昭和44年度には装置技術として最も困難が予測される磁場コイルとプラズマ生成・加熱用プラズマガンの開発を先発させ、その成果と予備実験の経験などに基き、昭和45年度に装置を設計、製作し、46年度より実験を開始、48年度でおわる。

○外部導体系トーラス(9,000万円)
 軸対称性トーラスは高温プラズマ中に磁場コイルが埋没するため、核融合炉の最終の姿としては望ましくない。

 従って、将来の炉を予想した外部導体系あるいは内、外両導体混合系の発展をはかる必要があるが、これらは現段階ではなお未確定の要因が多く、直ちに本格的な装置として立案することは時期尚早と判断されるので、当面計算機および小規模装置による実験を行なう。

○関連技術開発(6億5,000万円)
 トーラス計画に関連する技術の研究開発である。

 プラズマ生成、加熱のためのプラズマガン、マイクロ波加熱、巨大パルスレーザー、高エネルギー中性粒子源装置に関して超電導を含む各種コイル、真空、特殊電源診断として真空紫外分光、動的内部構造などである。

 これらの各項目の研究開発には第一段階に直ちに寄与するものの他、第二段階への準備としての長期的なものも含まれ、いずれも技術開発項目として欠くことのできないものであるが、それらの実施には、トーラス研究との関連および緊急性・将来性を検討しつつ進める。
(b)高ベーター(テーター・ピンチ)計画(総額6億5,000万円、所要期間5カ年、人員52名)
 核融合炉実現の条件はベーター値が約0.1のけたと予測されるので、高ベーター研究を準備的に着手する。

 当面、ベーター値1〜0.1の領域を直線テーターピンチ装置を主に、トーラス装置を小型で物理的・技術的に研究開発を行なう。

 この計画はトーラスの中間ベーター化とは逆の側からの接近としての意義をもつと共に、高ベーター・トーラス閉込めの直接的達成をも可能性に含むものである。

 以上の計画は大綱であり、実施のスケジュールその他細部にわたっては次節に述べる如き開発体制をとり、慎重なレビューとチェックを経つつ進めることとし、また世界の研究情勢の進展が反映できるよう弾力的に実施することも必要である。(なお、本計画の詳細は研究小委員会報告書を参照されたい。特にその要約は8章に示されている。)
3 開発体制(審議事項(iii)に関して)

 「原子力開発利用長期計画」には、この開発研究は、大学、民間企業の協力のもとに、関係各機関において分担して行なうこととするが、実施に当っては、わが国全体として実質的一元化をはかり効果的に推進させ、研究開発の一体化への措置を講ずべきことが示されている。

 その後の状勢をみると、上記のことはさらに促進されるべきと判断される。

 この研究開発は本来、その目的・意義・性格よりみて「国のプロジェクト」として設定されるべきものと考えられる。

 仮りにただちにその措置がとれぬ場合にも長期にわたり継続的かつ強力な組織化された実施を保証する政策が確立されなければならない。

(i)上記の措置に基きこの研究開発を実施するため次の体制を整備する。
 第一段階の主装置の建設される時期である昭和45年度を目途として前述の主および副計画の主な開発研究を一つの組織にまとめて計画を実施する。

 この組織は将来適当な時期に独立の研究所に発展することが予想されるが、差し当り既存の研究機関を活用して運用する。

 組織の場所としては、核融合研究の現段階とわが国の実情とよりみて、全国の研究者、技術者の参加と協力を容易にすることが、特に第一段階の計画推進の要件であって、そのためには東京またはその近郊であることが特に要望される。

(ii)日本原子力研究所、理化学研究所、電気試験所で行なわれている現在の研究開発体制より前項(i)に述べた新しい体制へ円滑に移行するために必要な措置が直ちにとられるよう要望する。

 さしあたり一体化に先行して昭和44年度より当計画の予算を一元化し、また人材を広く全国的に集め、早急にリーダーの下に強力な研究者の組織をつくる必要がある。

 なお、上記三研究機関で現在進行中の研究の中、当計画に含まれぬものについては、なるべく近い将来に終結を計ることとなるが、それまでの過渡的期間に対しては、予算措置が講ぜられるよう要望する。

(iii)当研究計画が国の施策として承認されるのを契機に当専門部会は解消(改組)し、以後は次のように計画が実施され管理されるものとする。

 すなわち、新組織のおかれる研究機関内にプロジェクト・リーダーの諮問にこたえるための機構の設けられることが要望されると共に、それとは独立に当計画をレビュー・チェックするための機構が原子力委員会または原子力局内に置かれることが必要である。

 いうまでもなく、この計画的研究は目的をかかげ、スケジュールに沿って推進されるものであり、組織の運用の性格として研究管理が重要視されなければならない。

(iv)大学・民間企業に協力を期待する事項
 大学における自由な発想に基づくアカデミックな研究およびプラズマ研究所における体系的研究が解析的・物理的であるのとは対照的に、本計画は総合的・技術的重点をもつ目的研究である。
 両者は相補的・分担的に進められ、わが国としては実質上一元的に運営されなければならない。

 そのためには特に客員研究員、共同研究の制度を強化して両者間の人的・知的交流が活発に行なわれることを期待したい。

 特に強調すべきこととして、当計画がスケジュールに従って実施されるためには、極めて強力な大学側からの基礎研究および人的の支援が必要であり、逆に当計画の成果が、基礎研究の問題を提起し、その解決によって相互に研究が段階的に進展するという関係が樹立されるよう努力しなければならない。

 そのためにも大学の研究が現在に比し格段に強化されることを強く期待する。

 民間企業には技術開発の協力を期待する。

 特に委託研究の制度を強化し、また試作発注などにより、研究の進展に応じて協力を依頼する。

 さしあたり各種コイル、各種電源、真空の技術開発などが考えられる。

 その他、外国との交流を進めるため、海外の研究情報取得、外人研究者の招聘など進める必要がある。

4 昭和44年度概算要求について

 昭和44年度は当計画の第一年度であって、前記3(ii)項にあるように新しい研究体制が整備されるまでの過渡期間に当る。

 したがって過渡的措置として当計画実施のために一元化された予算を、日本原子力研究所、理化学研究所、電気試験所が分担して要求する。

 すなわち概算要求されるものは上述の研究計画の第一年度に該当するもの、あるいはそれに準ずるもの、および新しい研究体制に円滑に移行できるものに限られ、またその観点よりチェックされるべきものである。

 概要としては、
(i)43年度発足を予定している低ベータートーラス予備実験の継続、
(ii)中間ベーター値トーラス装置の一部に関する準備研究、
(iii)関連技術開発については、それ自体重要であり長期に着実に継続させることを尊重するが、特にトーラスに密着した開発を優先させる。
(iv)高ベーター関係の計画については小規模の準備研究よりはじめる。
 なお上記三研究機関で現在進行中の研究のうち当計画に含まれぬ分の措置については3(ii)を参照されたい。
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