深入了解核融合科學研究所NIFS：LHD的累積，以及診斷與計算開闢的新研究

位於岐阜縣土岐市的核融合科學研究所（NIFS），是自然科學研究機構（NINS）下屬的大學共同利用機構，與日本國內外大學共享研究設施、知識和人才。大型螺旋裝置LHD的實驗已於2025年12月25日結束，但累積資料的分析、診斷技術開發、模擬、材料及超導研究仍在繼續。2026年度啟動的MCPoP，是旨在精細量測和控制電漿微小漲落的新學術研究基礎設施計畫。要理解NIFS目前所處的階段，需要區分研究所這一組織、實驗裝置與研究計畫。研究所概況／LHD實驗完成／MCPoP

NIFS的英文全稱是National Institute for Fusion Science，位於土岐市下石町，自2004年起成為大學共同利用機構法人自然科學研究機構的組成研究所。其研究對象不僅包括高溫電漿物理，也涵蓋原子和分子反應、材料、診斷儀器及超導設備。它的作用，是讓大學研究人員共同發展實現融合能源所需的基礎科學與技術。概況／沿革

「共同利用」並不只是出借裝置，而是透過公開徵集研究課題，把各大學的專業能力與研究所的設備、研究人員連結起來。除了使用所內設施的一般共同研究，還有利用大學研究基礎設施的合作架構，以及由多家機構共同攻關重要課題的研究核心提案型共同研究等。同時也設有銜接使用QST主導的JT-60SA等裝置開展學術研究的管道。換言之，NIFS的研究活動並不侷限於土岐園區。共同利用與共同研究

理解所內結構的關鍵詞，是「研究單元」與「平台」。前者是圍繞學術問題組建的研究團隊，所內成員與來自所外不同學科的成員人數大致相當；後者則是用於驗證這些問題的公共基礎設施，例如實驗設施和電腦。研究人員的組織歸屬與所使用的裝置不作一一固定綁定，這種設計旨在促進跨領域合作。研究活動／平台規劃室

保障裝置持續運作的技術部同樣重要。機械系統、設計開發、電氣電子、量測分析、控制資訊等技術部門，支撐著從加工、焊接到真空、低溫、訊號處理和網路的各項工作。即使研究人員提出一種新量測方法，若儀器無法安裝到真空容器上、無法校準或不能安全運作，就無法轉化為科學研究。NIFS的累積也包括這些實作與運轉知識。技術部

NIFS於1989年5月在名古屋市千種區成立。在大學核融合研究長期規劃的背景下，岐阜縣土岐市的大型螺旋裝置建設，以及作為其推動主體的共同利用機構建設逐步展開。研究所於1997年7月遷至土岐，LHD於同年12月建成，並於1998年3月31日產生首個電漿。官方沿革中的「1998年4月開始實驗」與裝置記錄的首次電漿日期，應理解為不同里程碑的記錄，而不是同一個事件的日期。沿革／LHD官方記錄

此後，LHD長期支撐日本的螺旋系統研究。氘實驗於2017年3月開始，2022年12月結束。2023年度，研究組織改為研究單元制，LHD也作為「學術研究平台」運作，將累積的高解析度診斷和加熱能力用於跨學科研究。其用途從面向融合反應爐的性能提升，拓展到闡明與宇宙、天體同樣相關的電漿現象。NIFS歷史／學術研究平台LHD

2025年12月23日，LHD累計放電次數達到20萬次，並於同月25日完成實驗計畫。這裡需要區分：利用裝置產生新電漿的實驗結束，不等於依託LHD開展的研究結束。NIFS已明確表示，將繼續利用累積的資料開展研究。多年實驗形成的診斷技術、運轉經驗與合作研究網路，也將傳承至下一代研究平台。LHD實驗完成與20萬次放電

磁約束核融合研究利用磁場約束高溫帶電粒子群，即電漿。使用環形磁場時，需要賦予磁力線適當的扭轉；LHD採用了藉助外部螺旋線圈形成磁場的Heliotron組態。形成約束磁場並不必須依賴電漿電流，這是其面向穩態運轉的重要特點。LHD本體外徑13.5公尺，總重量約1,500公噸。比裝置尺寸更重要的是，它能夠把超導磁體、多種加熱手段和大量診斷儀器組合起來，在改變條件的同時研究電漿。LHD結構與磁場組態

用於加熱的中性束注入（NBI），需要把作為起點的離子束聚焦到目標方向。2025年利用NIFS研發用負離子源RNIS開展的一項研究，觀察到束流寬度與束軸會回應微弱的射頻擾動而振盪。這項成果為減少束流發散造成的損失，回到離子源內部物理進行研究。不過，它並不意味著ITER離子源的全部問題已經解決；在實際裝置條件下驗證，仍是後續課題。NIFS研究發布／Scientific Reports原始論文

在診斷方面，二氧化碳雷射干涉儀支撐了電子密度量測。這種方法讀取光穿過電漿後的相位變化。LHD開發了用於捕捉密度分布和大尺度波動的雙色成像干涉儀，以及以穩定監測密度為目標的色散干涉儀。只有同時解決高密度條件下的量測、機械振動雜訊、偵測器輻射防護等問題，才能獲得精密的物理資料。2026年發表的一篇綜述，系統整理了LHD累積的這些診斷原理、裝置與分析方法。雷射干涉儀開發綜述

溫度升高後，能量會趨向向外流失。在某些情況下，僅憑粒子間碰撞無法解釋這種輸運。這是因為密度和電場的微小漲落會相互作用，形成紊流與流動，從而改變整個裝置中的溫度分布。如果只看忽略小尺度現象的平均值，就無法充分捕捉約束性能的變化或熱傳播方式的突然改變。

2025年12月發布的LHD紊流研究展示了這一難點。研究高精度觀測了對中心區域進行短時加熱後的回應，表明紊流不僅輸運熱量，還能迅速耦合相距較遠區域的變化。這項研究的意義，在於超越「消除紊流即可」的簡單控制思路，分辨哪些漲落在什麼時間和空間尺度上決定輸運。紊流的兩種作用

目前的研究由10個單元組成：元層級動力學、結構形成與持續性、相空間紊流、電漿量子過程、電漿與多相物質間輸運、可知化感測、電漿裝置學、複合全域模擬、超高通量協同材料，以及超導與低溫工程。其特點是不以裝置名稱劃分研究領域，而是圍繞需要解決的問題來組織研究。研究單元列表

第一組主題，是理解電漿自行形成的結構與波動。元層級動力學研究電子、原子等微觀現象如何與裝置尺度的行為相聯繫，關注不同層級之間的關係。結構形成與持續性則探討磁場形狀如何影響電漿的整體分布和約束。即使能夠解釋局部粒子運動，整體穩定結構如何形成，仍是另一個需要解決的問題。元層級動力學／結構形成與持續性

相空間紊流中的「相空間」，不僅描述粒子位於何處，也包括其運動方向與速度。即使平均溫度相同，速度分布形狀不同，對波和不穩定性的回應也可能不同。這一單元旨在同時量測多個位置的速度分布，並與理論和模擬進行比對。相空間紊流

第二組主題，是電漿與周圍物質的接點。電漿量子過程研究原子、離子的反應和發光，為理解雜質導致的輻射損失、解釋觀測光譜提供支撐。電漿與多相物質間輸運，則研究從電漿到壁面、冷卻介質、排氣及燃料循環的熱量和粒子遷移。即使爐心電漿性能很高，若承受熱負荷的壁面和燃料進出無法正常工作，整個系統仍無法運作。量子過程／多相物質間輸運

第三組主題，是讓研究得以開展的診斷、計算、材料和設備。可知化感測將高解析度量測與統計數學結合，從資料中提取物理知識。複合全域模擬則研究如何連接時空尺度差異極大的物理模型。並不是只要電腦足夠快，就能不受條件限制地用一次計算，同時求解從電子運動到整個裝置的全部問題。可知化感測／複合全域模擬

材料研究除了開發耐高溫、耐強粒子通量的結構材料，也開發承擔絕緣、氫控制與感測功能的功能材料。超導與低溫工程研究大電流導體和冷卻系統，並將核融合領域累積的知識拓展到氫能利用等領域。物理發現與設備創新，就是在這些單元之間不斷交流的過程中向前推進。超高通量協同材料／超導與低溫工程

電漿裝置學一方面研究中性束注入、射頻加熱等核融合核心技術，另一方面也將對象拓展到反物質電漿、μ子和電推進器。這些研究的共同點是量測與控制帶電粒子群。它以核融合裝置技術為起點，同時希望從其他領域的應用中獲得新的控制原理。電漿裝置學

MCPoP於2026年4月1日啟動，是以超高溫電漿微觀集體現象為核心的學術研究基礎設施計畫。其科學問題十分明確：如果在縮小爐心的同時仍要保持高溫，就會產生陡峭的溫度梯度等條件，對漲落和不穩定性的理解也就更加重要。因此，該計畫透過操控微細狀態、開展高解析度量測，並與理論和計算相互對照，來研究因果關係。MCPoP的目標與啟動

CHD是承擔初期階段研究的實驗平台。CHD正以運作至2006年的CHS為基礎進行改造，並將導入LHD開發的診斷與加熱技術。利用小型裝置的靈活性和診斷能力，CHD還將開展面向CHD-U的準備性研究。2026年10月25日查閱的官方網站稱，CHD正在改造，目標是在2026年度開始實驗。本文不把研究計畫的啟動，與裝置已經開始實驗混為一談。CHD建設方針／MCPoP官方發布

CHD-U則是正在論證的新裝置計畫，擬承擔後LHD時期的核心角色。CHD是對原CHS的改造，CHD-U則處於進一步細化新裝置設計與研究計畫的階段。2026年3月，研究所營運會議工作組提出建議，要求明確研究目標，從可行的短中期課題出發分階段推進，並與日本國內外多台裝置協作。文部科學省於2026年2月制定的年度計畫規定，在著手推進CHD-U時，要評估CHD等工作的進展與資金落實情況，必要時修訂計畫。年度計畫 因而，不能將CHD-U視為已經運作的裝置，也不能將其視為已經確定的發電示範計畫。關於CHD-U研究計畫的建議

把裝置變小直接理解為研究規模收縮，同樣為時過早。能夠量測什麼、能夠獨立改變哪些條件，決定了可以回答怎樣的科學問題。不過，要以研究成果證明這種優勢，就必須實際提高量測精度和理論驗證能力。MCPoP的意義，取決於這種研究設計能夠實現到什麼程度。

為提高預測精度，也有研究嘗試組合不同類型的計算結果。2024年12月發布的一項共同研究，透過整合大量低精度資料與少量高精度資料的「多保真建模」，改善了紊流輸運模型的預測。研究課題不僅是開展大量計算，也包括如何組合精度與計算成本不同的資訊。預測模型的改進

與實驗並列的另一支柱，是超級電腦「電漿模擬器」。NIFS與QST整合各自的計算基礎設施進行聯合採購，並於2025年7月1日開始運作。設備設在青森縣六所村的QST六所融合能源研究所。同年12月，其暱稱確定為「雙星」（日語讀作Sosei）。兩家機構的合作，不僅體現在名稱上，也體現在設備投資與共同運作機制中。開始運作／「雙星」命名

「雙星」具有三個子系統：CPU系統、將CPU與GPU結合的APU系統，以及大容量記憶體系統，總理論計算性能約為40.4 petaflops。該配置旨在適應不同的計算特性，這一數值並不保證所有科研程式碼的實際執行速度。更準確的理解是，它是用於粒子運動、紊流計算及模型開發等任務的共享計算平台。系統配置

2025年12月發布的一項研究，透過SINET6連接土岐的LHD與約1,000公里外六所的電腦，展示了遠端即時預測控制。研究利用觀測資料更新模型的資料同化方法，根據預測結果將控制指令傳回實驗端。這項成果把「先計算，再與實驗比較」的流程接入了實驗進行中的控制循環。不過，不能把LHD上的控制展示，直接視為未來燃燒電漿控制問題已經得到全面解決。遠端預測控制展示

已有資料同樣是研究基礎設施。NIFS自2023年起推進LHD實驗資料開放，至2024年12月，賦有DOI的登記資料項目已超過1,000萬。這不意味著進行了1,000萬次放電。透過識別碼使資料可被引用，其他研究人員就能應用新的分析方法，向過去的實驗提出不同問題。這是實驗結束後仍能持續產生科學價值的重要條件。資料開放發布

要理解與產業的連結，相較於裝置本身的巨大規模，關注控制、診斷、材料等具體技術更為直觀。NIFS的核融合科學跨學科協作中心設有前沿學術研究協作、開發研究協作、產學官協作三個部門。此外，融合能源產學合作研究室設立了技術開發團隊，也利用企業等提供的外部資金，建構推動科研成果實際應用的機制。跨學科協作中心／產學合作研究室

具體例子之一，是三菱電機、京都大學與NIFS於2026年6月發布的微波電漿量測系統。該系統結合頻率梳與訊號處理，能夠長時間同時量測最多34個點，並已在京都大學的Heliotron J上展示。對電漿狀態進行多點追蹤，有助於辨別漲落的空間結構，並為未來控制提供支撐。這也是NIFS技術在其他機構裝置上接受驗證的具體合作案例。多點同步量測展示

另一個例子，是2026年2月與關西學院大學共同發布的液氫環境下高溫超導線材試驗。NIFS建成了涵蓋氫液化至通電測試的裝置，建構了能在液氫中通入1,000安培以上電流的試驗平台。這項成果連結了融合反應爐線圈與氫能發電機的研究，但不意味著實際運作線圈或商業發電系統已經完成。液氫與超導線材綜合試驗

材料耐久性需要在明確的環境條件下透過試驗確認。2024年11月發布的一項NIFS參與的共同研究，在600℃液態鋰鉛合金中形成旋流，對兩種FeCrAl系氧化物分散強化合金進行了1,000小時試驗。結果確認了保護性氧化膜的形成和耐腐蝕性，並不等於驗證了整個商業包層的使用壽命。液態金屬環境下的材料試驗

這些技術不僅涉及研究人員，也涉及製造診斷儀器的技術人員、改進計算程式碼的學生，以及保障設備安全運作的工作人員。1992年，綜合研究大學院大學的核融合科學專業在NIFS設立，此後NIFS一直承擔研究生教育。長期運作的共同研究設施，其價值不僅包括論文與裝置性能，也包括培養能夠設計、運作下一項實驗的人才。教育沿革／技術部的專業領域

評價NIFS的轉型，不能只看裝置的更新換代。能否從LHD資料中提取新的物理規律？能否在CHD上實現精密診斷與靈活實驗？能否明確CHD-U的科學目標，並匯聚共同研究群體的力量？又能否將計算、材料、超導領域的成果，連結到不同裝置與產業所面臨的問題？這些都是需要回答的問題。

2026年度，還新設了利用JT-60SA、德國Wendelstein 7-X等大型裝置的共同研究機制。並非把所有問題都寄託於土岐的新裝置，而是結合已有資料、日本國內外實驗與計算；這一方向也體現在制度設計中。大型裝置利用共同研究

通向核融合發電的道路，既需要加熱電漿的技術，也需要理解其行為、使其長期穩定運作的科學。LHD的經驗累積了關於量測什麼、如何驗證，以及將哪些知識傳遞給下一次設計的方法。能否透過共同利用開放這些累積，並拓展到新的裝置與研究領域？這正是LHD實驗完成後NIFS的角色所在。