深入了解核聚变科学研究所NIFS：LHD的积累，以及诊断与计算开辟的新研究

位于岐阜县土岐市的核聚变科学研究所（NIFS），是自然科学研究机构（NINS）下属的大学共同利用机构，与日本国内外大学共享研究设施、知识和人才。大型螺旋装置LHD的实验已于2025年12月25日结束，但积累数据的分析、诊断技术开发、模拟、材料及超导研究仍在继续。2026年度启动的MCPoP，是旨在精细测量和控制等离子体微小涨落的新学术研究基础设施计划。要理解NIFS目前所处的阶段，需要区分研究所这一组织、实验装置与研究项目。研究所概况／LHD实验完成／MCPoP

NIFS的英文全称是National Institute for Fusion Science，位于土岐市下石町，自2004年起成为大学共同利用机构法人自然科学研究机构的组成研究所。其研究对象不仅包括高温等离子体物理，也涵盖原子和分子反应、材料、诊断仪器及超导设备。它的作用，是让大学研究人员共同发展实现聚变能源所需的基础科学与技术。概况／沿革

“共同利用”并不只是出借装置，而是通过公开征集研究课题，把各大学的专业能力与研究所的设备、研究人员连接起来。除了使用所内设施的一般共同研究，还有利用大学研究基础设施的合作框架，以及由多家机构共同攻关重要课题的研究核心提案型共同研究等。同时也设有衔接使用QST主导的JT-60SA等装置开展学术研究的渠道。换言之，NIFS的研究活动并不局限于土岐园区。共同利用与共同研究

理解所内结构的关键词，是“研究单元”与“平台”。前者是围绕学术问题组建的研究团队，所内成员与来自所外不同学科的成员人数大致相当；后者则是用于验证这些问题的公共基础设施，例如实验设施和计算机。研究人员的组织归属与所使用的装置不作一一固定绑定，这种设计旨在促进跨领域合作。研究活动／平台规划室

保障装置持续运行的技术部同样重要。机械系统、设计开发、电气电子、测量分析、控制信息等技术部门，支撑着从加工、焊接到真空、低温、信号处理和网络的各项工作。即使研究人员提出一种新测量方法，若仪器无法安装到真空容器上、无法校准或不能安全运行，就无法转化为科学研究。NIFS的积累也包括这些实施与运行知识。技术部

NIFS于1989年5月在名古屋市千种区成立。在大学核聚变研究长期规划的背景下，岐阜县土岐市的大型螺旋装置建设，以及作为其推动主体的共同利用机构建设逐步展开。研究所于1997年7月迁至土岐，LHD于同年12月建成，并于1998年3月31日产生首个等离子体。官方沿革中的“1998年4月开始实验”与装置记录的首次等离子体日期，应理解为不同里程碑的记录，而不是同一个事件的日期。沿革／LHD官方记录

此后，LHD长期支撑日本的螺旋系统研究。氘实验于2017年3月开始，2022年12月结束。2023年度，研究组织改为研究单元制，LHD也作为“学术研究平台”运行，将积累的高分辨率诊断和加热能力用于跨学科研究。其用途从面向聚变堆的性能提升，拓展到阐明与宇宙、天体同样相关的等离子体现象。NIFS历史／学术研究平台LHD

2025年12月23日，LHD累计放电次数达到20万次，并于同月25日完成实验计划。这里需要区分：利用装置产生新等离子体的实验结束，不等于依托LHD开展的研究结束。NIFS已明确表示，将继续利用积累的数据开展研究。多年实验形成的诊断技术、运行经验与合作研究网络，也将传承至下一代研究平台。LHD实验完成与20万次放电

磁约束聚变研究利用磁场约束高温带电粒子群，即等离子体。使用环形磁场时，需要赋予磁力线适当的扭转；LHD采用了借助外部螺旋线圈形成磁场的Heliotron构型。形成约束磁场并不必须依赖等离子体电流，这是其面向稳态运行的重要特点。LHD本体外径13.5米，总重量约1,500吨。比装置尺寸更重要的是，它能够把超导磁体、多种加热手段和大量诊断仪器组合起来，在改变条件的同时研究等离子体。LHD结构与磁场构型

用于加热的中性束注入（NBI），需要把作为起点的离子束聚焦到目标方向。2025年利用NIFS研发用负离子源RNIS开展的一项研究，观察到束流宽度与束轴会响应微弱的射频扰动而振荡。这项成果为减少束流发散造成的损失，回到离子源内部物理进行研究。不过，它并不意味着ITER离子源的全部问题已经解决；在实际装置条件下验证，仍是后续课题。NIFS研究发布／Scientific Reports原始论文

在诊断方面，二氧化碳激光干涉仪支撑了电子密度测量。这种方法读取光穿过等离子体后的相位变化。LHD开发了用于捕捉密度分布和大尺度波动的双色成像干涉仪，以及以稳定监测密度为目标的色散干涉仪。只有同时解决高密度条件下的测量、机械振动噪声、探测器辐射防护等问题，才能获得精密的物理数据。2026年发表的一篇综述，系统整理了LHD积累的这些诊断原理、装置与分析方法。激光干涉仪开发综述

温度升高后，能量会趋向向外流失。在某些情况下，仅凭粒子间碰撞无法解释这种输运。这是因为密度和电场的微小涨落会相互作用，形成湍流与流动，从而改变整个装置中的温度分布。如果只看忽略小尺度现象的平均值，就无法充分捕捉约束性能的变化或热传播方式的突然改变。

2025年12月发布的LHD湍流研究展示了这一难点。研究高精度观测了对中心区域进行短时加热后的响应，表明湍流不仅输运热量，还能迅速耦合相距较远区域的变化。这项研究的意义，在于超越“消除湍流即可”的简单控制思路，分辨哪些涨落在什么时间和空间尺度上决定输运。湍流的两种作用

目前的研究由10个单元组成：元层级动力学、结构形成与持续性、相空间湍流、等离子体量子过程、等离子体与多相物质间输运、可知化传感、等离子体装置学、复合全局模拟、超高通量协同材料，以及超导与低温工程。其特点是不以装置名称划分研究领域，而是围绕需要解决的问题来组织研究。研究单元列表

第一组主题，是理解等离子体自行形成的结构与波动。元层级动力学研究电子、原子等微观现象如何与装置尺度的行为相联系，关注不同层级之间的关系。结构形成与持续性则探讨磁场形状如何影响等离子体的整体分布和约束。即使能够解释局部粒子运动，整体稳定结构如何形成，仍是另一个需要解决的问题。元层级动力学／结构形成与持续性

相空间湍流中的“相空间”，不仅描述粒子位于何处，也包括其运动方向与速度。即使平均温度相同，速度分布形状不同，对波和不稳定性的响应也可能不同。这一单元旨在同时测量多个位置的速度分布，并与理论和模拟进行比对。相空间湍流

第二组主题，是等离子体与周围物质的接点。等离子体量子过程研究原子、离子的反应和发光，为理解杂质导致的辐射损失、解释观测光谱提供支撑。等离子体与多相物质间输运，则研究从等离子体到壁面、冷却介质、排气及燃料循环的热量和粒子迁移。即使堆芯等离子体性能很高，若承受热负荷的壁面和燃料进出无法正常工作，整个系统仍无法运行。量子过程／多相物质间输运

第三组主题，是让研究得以开展的诊断、计算、材料和设备。可知化传感将高分辨率测量与统计数学结合，从数据中提取物理知识。复合全局模拟则研究如何连接时空尺度差异极大的物理模型。并不是只要计算机足够快，就能不受条件限制地用一次计算，同时求解从电子运动到整个装置的全部问题。可知化传感／复合全局模拟

材料研究除了开发耐高温、耐强粒子通量的结构材料，也开发承担绝缘、氢控制与传感功能的功能材料。超导与低温工程研究大电流导体和冷却系统，并将聚变领域积累的知识拓展到氢能利用等领域。物理发现与设备创新，就是在这些单元之间不断交流的过程中向前推进。超高通量协同材料／超导与低温工程

等离子体装置学一方面研究中性束注入、射频加热等聚变核心技术，另一方面也将对象拓展到反物质等离子体、μ子和电推进器。这些研究的共同点是测量与控制带电粒子群。它以聚变装置技术为起点，同时希望从其他领域的应用中获得新的控制原理。等离子体装置学

MCPoP于2026年4月1日启动，是以超高温等离子体微观集体现象为核心的学术研究基础设施计划。其科学问题十分明确：如果在缩小堆芯的同时仍要保持高温，就会产生陡峭的温度梯度等条件，对涨落和不稳定性的理解也就更加重要。因此，该计划通过操控微细状态、开展高分辨率测量，并与理论和计算相互对照，来研究因果关系。MCPoP的目标与启动

CHD是承担初期阶段研究的实验平台。CHD正在对运行至2006年的CHS进行改造的基础上建设，并将引入LHD开发的诊断与加热技术。利用小型装置的灵活性和诊断能力，CHD还将开展面向CHD-U的准备性研究。2026年10月25日查阅的官方网站称，CHD正在改造，目标是在2026年度开始实验。本文不把研究计划的启动，与装置已经开始实验混为一谈。CHD建设方针／MCPoP官方发布

CHD-U则是正在论证的新装置计划，拟承担后LHD时期的核心角色。CHD是对原CHS的改造，CHD-U则处于进一步细化新装置设计与研究计划的阶段。2026年3月，研究所运营会议工作组提出建议，要求明确研究目标，从可行的短中期课题出发分阶段推进，并与日本国内外多台装置协作。文部科学省于2026年2月制定的年度计划规定，在着手推进CHD-U时，要评估CHD等工作的进展与资金落实情况，必要时修订计划。年度计划 因而，不能将CHD-U视为已经运行的装置，也不能将其视为已经确定的发电示范计划。关于CHD-U研究计划的建议

把装置变小直接理解为研究规模收缩，同样为时过早。能够测量什么、能够独立改变哪些条件，决定了可以回答怎样的科学问题。不过，要以研究成果证明这种优势，就必须实际提高测量精度和理论验证能力。MCPoP的意义，取决于这种研究设计能够实现到什么程度。

为提高预测精度，也有研究尝试组合不同类型的计算结果。2024年12月发布的一项共同研究，通过整合大量低精度数据与少量高精度数据的“多保真建模”，改善了湍流输运模型的预测。研究课题不仅是开展大量计算，也包括如何组合精度与计算成本不同的信息。预测模型的改进

与实验并列的另一支柱，是超级计算机“等离子体模拟器”。NIFS与QST整合各自的计算基础设施进行联合采购，并于2025年7月1日开始运行。设备设在青森县六所村的QST六所聚变能源研究所。同年12月，其昵称确定为“双星”（日语读作Sosei）。两家机构的合作，不仅体现在名称上，也体现在设备投资与共同运行机制中。开始运行／“双星”命名

“双星”具有三个子系统：CPU系统、将CPU与GPU结合的APU系统，以及大容量内存系统，总理论计算性能约为40.4 petaflops。该配置旨在适应不同的计算特性，这一数值并不保证所有科研代码的实际运行速度。更准确的理解是，它是用于粒子运动、湍流计算及模型开发等任务的共享计算平台。系统配置

2025年12月发布的一项研究，通过SINET6连接土岐的LHD与约1,000公里外六所的计算机，演示了远程实时预测控制。研究利用观测数据更新模型的数据同化方法，根据预测结果将控制指令传回实验端。这项成果把“先计算，再与实验比较”的流程接入了实验进行中的控制循环。不过，不能把LHD上的控制演示，直接视为未来燃烧等离子体控制问题已经得到全面解决。远程预测控制演示

已有数据同样是研究基础设施。NIFS自2023年起推进LHD实验数据开放，至2024年12月，赋有DOI的登记数据条目已超过1,000万。这不意味着进行了1,000万次放电。通过标识符使数据可被引用，其他研究人员就能应用新的分析方法，向过去的实验提出不同问题。这是实验结束后仍能持续产生科学价值的重要条件。数据开放发布

要理解与产业的连接，相较于装置本身的巨大规模，关注控制、诊断、材料等具体技术更为直观。NIFS的核聚变科学跨学科协作中心设有前沿学术研究协作、开发研究协作、产学官协作三个部门。此外，聚变能源产学合作研究室设立了技术开发团队，也利用企业等提供的外部资金，构建推动科研成果实际应用的机制。跨学科协作中心／产学合作研究室

具体例子之一，是三菱电机、京都大学与NIFS于2026年6月发布的微波等离子体测量系统。该系统结合频率梳与信号处理，能够长时间同时测量最多34个点，并已在京都大学的Heliotron J上演示。对等离子体状态进行多点跟踪，有助于辨别涨落的空间结构，并为未来控制提供支撑。这也是NIFS技术在其他机构装置上接受验证的具体合作案例。多点同步测量演示

另一个例子，是2026年2月与关西学院大学共同发布的液氢环境下高温超导线材试验。NIFS建成了覆盖氢液化至通电测试的装置，构建了能在液氢中通入1,000安培以上电流的试验平台。这项成果连接了聚变堆线圈与氢能发电机的研究，但不意味着实际运行线圈或商业发电系统已经完成。液氢与超导线材综合试验

材料耐久性需要在明确的环境条件下通过试验确认。2024年11月发布的一项NIFS参与的共同研究，在600℃液态锂铅合金中形成旋流，对两种FeCrAl系氧化物弥散强化合金进行了1,000小时试验。结果确认了保护性氧化膜的形成和耐腐蚀性，并不等于验证了整个商业包层的使用寿命。液态金属环境下的材料试验

这些技术不仅涉及研究人员，也涉及制造诊断仪器的技术人员、改进计算代码的学生，以及保障设备安全运行的工作人员。1992年，综合研究大学院大学的核聚变科学专业在NIFS设立，此后NIFS一直承担研究生教育。长期运行的共同研究设施，其价值不仅包括论文与装置性能，也包括培养能够设计、运行下一项实验的人才。教育沿革／技术部的专业领域

评价NIFS的转型，不能只看装置的更新换代。能否从LHD数据中提取新的物理规律？能否在CHD上实现精密诊断与灵活实验？能否明确CHD-U的科学目标，并汇聚共同研究群体的力量？又能否将计算、材料、超导领域的成果，连接到不同装置与产业所面临的问题？这些都是需要回答的问题。

2026年度，还新设了利用JT-60SA、德国Wendelstein 7-X等大型装置的共同研究机制。并非把所有问题都寄托于土岐的新装置，而是结合已有数据、日本国内外实验与计算；这一方向也体现在制度设计中。大型装置利用共同研究

通向聚变发电的道路，既需要加热等离子体的技术，也需要理解其行为、使其长期稳定运行的科学。LHD的经验积累了关于测量什么、如何验证，以及将哪些知识传递给下一次设计的方法。能否通过共同利用开放这些积累，并拓展到新的装置与研究领域？这正是LHD实验完成后NIFS的角色所在。