Home研究成果

     
  

LHDの研究成果

  

高速で移動するプラズマ乱流を世界で初めて発見

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)において、プラズマ中で熱が逃げていく際に、熱よりも速く移動していく乱流を世界で初めて発見し、核融合プラズマの乱流の理解に新たな知見を与えました。この乱流の特性は、プラズマの温度変化の予知を可能にするものであり、今後、乱流を観測することで、プラズマの温度をリアルタイムで制御する手法の開発が期待されます。

超高温プラズマの温度を測定する非接触温度計 ─非等方複数高エネルギーイオンの観測に成功─

LHDの研究成果

核融合プラズマは中心温度が1億度を超えると、外部からのエネルギー注入なしで燃焼を維持することができます。この超高温プラズマ状態の保持には温度計測も必要となることから、新たに非破壊高精度較正手法を開発しました。大型ヘリカル装置のプラズマ実験において、超高温に加熱されたプラズマのイオン温度を計測した結果、閉じ込め磁場の方向と非等方な高エネルギーイオンが複雑に混ざり合っていることが明らかになりました。この成果は、核融合発電の燃焼や制御の解析、さらには核融合炉の電磁波を使うプラズマ加熱装置や計測器の較正と解析にも幅広く利用されることが期待できます。

プラズマ質量が断熱層形成に及ぼす影響を解明
― 先進診断法によりプラズマの内部構造が明らかに ―

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)実験において断熱層の性能がプラズマ燃料によって左右されること見出しました。この現象の物理背景を調べるため「重イオンビームプローブ」と呼ばれる先進診断法を適用し、プラズマの内部構造を観察しました。これにより強い断熱層が形成される原因はプラズマ中の流れの形成によるものであることが確認されました。本研究成果は、核融合発電の実現に必須である高温プラズマの生成に大きく貢献すると期待されます。

   

1億度のプラズマを氷で冷やす
― 核融合炉の緊急放電停止システムの研究 ―

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置ではITERの放電停止システムに用いられるネオンの氷(ペレット)をプラズマに入射する実験を新たに行いました。ITERではプラズマが不安定になる兆候を捉えた場合、装置の予期しないダメージを緩和するため、マイナス260度以下で凍らせた水素やネオンの氷でプラズマを急速に冷却し、放電を停止させます。今回の実験では高温のプラズマ中でネオンの氷が溶ける過程を初めて詳細に観測することができました。

プラズマのかごを揺らすと熱負荷低減

LHDの研究成果

核融合発電の実現には、高温のプラズマを磁場で閉じ込めて維持することが必要です。そのためには、プラズマの温度低下をもたらす乱流と、装置内壁にかかる大きな熱負荷を制御しなければなりません。今回の研究では、プラズマを閉じ込めている磁場に揺らぎを発生させると、プラズマ中の乱流が伝播するとともに、装置内壁の熱負荷が大幅に減ることを発見しました。これは、乱流と熱負荷の制御に新たな可能性を示すものであり、今後、本成果をもとに、新制御法の確立に向けた研究が進展すると期待されます。

インピーダンス変換器によるICRFアンテナ性能の向上

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)にはイオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱のためのアンテナが2種類設置されています。一つはFAITアンテナと呼ばれる大出力をめざしたアンテナ、もう一つはHASアンテナと呼ばれる磁力線方向の波数が制御可能なアンテナです。これらのアンテナは2種類のインピーダンス変換器を用いることで性能が飛躍的に向上しました。

重元素多価イオンに特有の原子物理学的効果を実験と理論で実証

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置や電子ビームイオントラップにおける分光実験データに基づき、ランタノイド元素のガリウム様イオンからの発光線波長の原子番号依存性を調べました。原子番号62と63の間で、別の曲線に乗り移るような奇妙な依存性を示す原因を調べるため、詳細な原子構造計算を行ったところ、重元素多価イオンに特有の、強い配置間相互作用とスピン軌道相互作用が重要な役割を担っていることが実証されました。

中心が凹んだ温度分布を持つプラズマの輸送を熱パルス伝播で調べる

LHDの研究成果

核融合プラズマの熱輸送は温度勾配で表されるモデルがよく使われています。それに対して、プラズマ中心から離れた狭い領域を加熱して、中心が凹んだ特異な温度分布を持つプラズマを作った状態で、中心付近の狭い領域を追加熱すると、熱パルスが温度勾配に逆らって伝播する過渡現象が観測されました。また加熱を入り切りすることで、駆動される熱の流れが温度勾配だけでは決まらないことが実験的に評価されました。

プラズマ中の「食べる食べられる」の関係
― 生態学発の数理モデルで磁気島の脈動機構を解明 ―

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)で生成されるプラズマ中に「磁気島」と呼ばれる構造が形成されると、装置内壁の熱負荷が減ることが知られています。今回、磁気島が自発的に拡大・縮小を繰り返す脈動現象を新たに発見しました。そして、この脈動の機構を生態学発の「捕食者・被食者モデル」を用いて解明しました。本研究成果は、核融合発電の実現に必須である装置内壁の熱負荷低減に大きく貢献すると期待されます。

強力な粒子排気でプラズマ粒子を制御

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験において、ダイバータと呼ばれる領域に水素燃料粒子を圧縮し、かつ真空ポンプにより強力に排気することによってプラズマ粒子の制御性が向上することを発見しました。この成果は、核融合発電における粒子制御の研究を大きく進展させるものと期待されます。

ホウ素粉末のふりかけでプラズマの温度が上昇
― リアルタイムで不純物と乱流を抑制 ―

LHDの研究成果

核融合発電の実現には高温のプラズマを安定に維持することが必要です。ところが、不純物やプラズマ中の乱流によって、プラズマの温度が低下することがあります。今回、大型ヘリカル装置(LHD)において、プラズマ実験中にホウ素粉末をプラズマにふりかけることにより、リアルタイムで不純物を低減すると同時にプラズマ中の乱流を抑制できることを明らかにしました。本成果は、高温のプラズマを安定に維持する方法の確立に大きく貢献するものです。

重水素プラズマで閉じ込め性能と装置壁の安全性を両立

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素プラズマ実験において、閉じ込めプラズマの性能を維持しつつ、装置壁への過大な熱負荷を軽減することに成功しました。この運転には、重水素プラズマに加えて、周辺部の磁場構造が高温の閉じ込めプラズマと周辺部の低温プラズマを分離するのに重要な役割を果たしていることが示されました。この成果は、将来の核融合発電で用いられる重水素・三重水素混合プラズマの運転に明るい見通しをもたらします。

閉じ込め装置の性能向上のための比較実験

LHDの研究成果

核融合反応でエネルギー生成を目指した磁場閉じ込めプラズマ装置にはいくつかの方式があります。ヘリカル装置は定常運転に優れ、将来の核融合炉として有望と考えられています。 代表的なヘリカル装置である大型ヘリカル装置(LHD)とW7-X 装置は、大きさは同程度でともに超電導コイルを用いていますが、コイル形状は大きく異なります。今回、LHDとW7-Xの閉じ込め性能の比較実験を行い、将来のヘリカル装置のコイル設計に重要な知識を獲得しました。

2種類の不純物入射で安定したプラズマ装置壁の熱負荷低減を実現

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)で、2種類(ネオンとクリプトン)の不純物入射により、1種類の入射よりも効率的で安定したプラズマ装置壁の熱負荷低減を実現しました。核融合炉では、装置壁の局所的な熱負荷を抑える必要があり、プラズマに不純物を入射し熱負荷を輻射として分散させる方法(非接触ダイバータ)が研究されています。この成果は、核融合炉の実現に必要な安定した非接触ダイバータの運転手法の確立に貢献する成果です。

磁場振動による高エネルギーイオン輸送の理解が進展

LHDの研究成果

これまで高エネルギービームイオンが起こす磁場振動によって、その振動を起こしたイオンがプラズマの外に逃げていることを明らかにしてきました。今回、高エネルギー中性子を高感度で測定する検出器を新規に開発し、振動の原因ではない高エネルギー粒子もプラズマの外に逃げていることを観測しました。この成果によって、将来の核融合炉で懸念される磁場振動による高エネルギーイオン輸送の理解が進みました。

大域的なプラズマ揺らぎの特徴的な微細構造を初めて観測

LHDの研究成果

磁場閉じ込めプラズマでは、回転停止後に急激に成長するという性質を持つ揺らぎが問題となっています。LHDでの新規計測手法により回転減速時の温度揺らぎの微細構造を計測することに成功しました。小半径方向の温度分布が平坦になったり傾きを持ったりと時間的に変化する領域がありますが、この一部に定常的に平坦化している領域があることを初めて発見しました。この成果は上記揺らぎの解明に貢献し、本計測手法を用いた他の揺らぎの研究も進展させます。

LHDにおけるプラセオジム・ネオジム多価イオンの発光線同定

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の高温プラズマ中に、少量のプラセオジム・ネオジムを導入し、両元素の多価イオンからの極端紫外域における発光スペクトルを解析しました。最近報告された、電子ビームイオントラップ(EBIT)実験におけるネオジムの発光線リストをもとに、両元素のスペクトルの類似性と原子番号依存性から、プラセオジムの発光線も同定されました。そのうち何本かは初めて実験的に同定されたものです。

プラズマ中の不純物量を示す実効電荷数"Zeff"の計測を改善

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)におけるプラズマ中の不純物量を表す実効電荷数(Zeff)計測の改善を行いました。これまでの計測では、水平方向に長いプラズマ断面に対する可視光の信号を利用してZeffの評価を行っていましたが、プラズマ周辺の光の影響で過大評価された数字が算出されていました。この影響を避けるために、垂直方向に長いプラズマ断面に計測視線を変えることでZeff評価の改善に繋げることができました。

紫外線の計測でプラズマへの粉末落下を着実に確認

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)では、ホウ素の粉末をプラズマに落下させ、プラズマ閉じ込め容器の壁面にホウ素の膜を作る実験が行われています。落下させたホウ素が効率的にプラズマに到達しているかどうかは、プラズマ中でのホウ素イオンの発光を分光計測することで確認できます。特に、目で見える「可視光」よりも波長の短い「紫外線」を計測することで、低価数から高価数までのホウ素イオンの発光を同時に観測できるようになりました。

異なる不純物を同時にプラズマ中に入射する新たな手法を開発

LHDの研究成果

不純物を高温プラズマ中の調べたい場所にピンポイントで入射するための技術、トレーサー内蔵固体ペレット(TESPEL)において、従来とは全く異なる、複数の不純物を入射する手法を考案し、その原理実証実験を行った結果、その有効性を確かめることができました。この成果は、核融合プラズマ中に存在する不純物を制御するための研究を大きく進展させます。

閉じ込め改善現象に見られる水素同位体効果の物理機構

LHDの研究成果

「閉じ込め改善現象」とは、プラズマが自分自身で内部に断熱層を生成し、それによって中心の温度が上昇するという現象です。核融合プラズマでは、閉じ込め改善現象の起こりやすさが、プラズマの質量により異なることが知られていました。「水素同位体効果」と呼ばれるこの現象が、どのような物理機構で起こっているかを議論しました。

機械学習を用いたプラズマ実験中の異常発光の予測

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験では異常な発光が観測されることがあります。この異常発光の原因である装置内面の異常な過熱により、装置が損傷することがありますので、発光を事前に予測したいという要求があります。今回、機械学習の一手法であるサポートベクトルマシンを用いて異常発光を高精度で予測できることを示しました。この成果により、異常発光を回避できる可能性が得られました。

プラズマ内の高エネルギー粒子の空間分布の測定

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素プラズマ実験において、中性子発生分布を計測する中性子カメラを用いることで、プラズマ内に閉じ込められている高エネルギー粒子の空間分布を測定しました。高エネルギー粒子軌道計算から予測される中性子発生分布と比較したところ、高・中磁場強度条件において実験結果と良く一致することが分かりました。これによって、LHDにおける高エネルギー粒子閉じ込めの定性的な理解が進みました。

プラズマ実験以外で起こる壁の損傷を発見

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)ではプラズマ実験を行う前に、グロー放電で生成した薄いプラズマを張り巡らせて装置の壁や部品を洗浄しています。今回、この洗浄によってある部品から大量の電子が放出したことを示す痕を発見しました。このアーキングの痕は材料が異なる部品では観測されておらず、LHDのグロー放電洗浄が異なる材料でアーキングの発生を分けるような条件であることが分かりました。本成果は、今後使用する機器材料の選定に寄与するものです。

LHDにおけるビームイオン損失機構の解析

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と、統合シミュレーションによる解析によって、LHDにおけるビームイオン損失の物理機構を定量的に解析しました。大型のトカマク型装置では、ビームイオン損失の原因は「新古典輸送」によるものが殆どであると知られていましたが、LHDでは新古典輸送を考慮したシミュレーションでは実験結果を再現できず、その他の物理機構が主な原因となっていることを定量的に明らかにしました。

プラズマ診断技術であるペレット入射に関する理解が進展

LHDの研究成果

高温プラズマに入射された炭化水素ペレットの周りには、高温プラズマとの相互作用により、中性ガス、イオンの層が形成されます。今回、ペレット周囲から発せられる光が観測される領域を決めるスケーリング則の導出に成功しました。本成果により、炭化水素ペレットの周囲に存在する比較的低温の電子の密度と温度の空間分布を高精度で予測できるようになり、炭化水素ペレットを用いた高温プラズマ研究の進展が期待されます。

ミクロスケールの乱流を観測するための新たな計測器を開発

LHDの研究成果

高温プラズマ中に発生する1ミリ程度のミクロなスケールの揺らぎを観測するため、電磁波(ミリ波)を用いた散乱計測器を新たに開発しました。ミクロスケールの強い乱流は高温プラズマの閉じ込めに大きな影響を与えると考えられていましたが、これを直接観測することはこれまで困難でした。今回、大型ヘリカル装置(LHD)に適用するために特別な金属レンズなどの機器を開発し、プラズマ中の乱流による信号の検出に成功しました。

超高温プラズマの内部構造診断ための高性能ミリ波フィルタ開発

LHDの研究成果

核融合炉内の超高温プラズマに関する研究では、ミリ波メガワットの電磁波を使い、核融合反応が生じる1億度までプラズマを加熱します。しかし、強力な電磁波は計測器にダメージやノイズを与えてしまい、正しい計測を困難にしていました。そこで、ミリ波電子温度計測器のために、特定周波数だけを取り除くミリ波帯の高性能ノッチフィルタを開発し、電子温度を計測することに成功しました。すべてのミリ波帯を使うプラズマ計測に必要となる基盤技術であり、産業分野や通信分野など、応用分野は多岐にわたります。

ヘリカルプラズマで崩壊現象を起こすプラズマ条件を特定

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)実験では、設計時の理論予測では不安定性が発生し高い圧力のプラズマが閉じ込められないと考えられていた運転条件でも、高いプラズマ圧力が維持されることが示されています。一方、非常に不安定と予測される場合には、高いプラズマ圧力が維持されず崩壊する現象が観測されています。そこで、プラズマ圧力の崩壊現象が観測される放電で、崩壊条件を詳しく調べました.その結果、圧力勾配が原因である不安定性の一種である交換型不安定性により崩壊現象が発生することが判明し、またその条件も明らかになりました。

核融合プラズマ実験における標準的な管理・計測機器、
高帯域・高速応答・高ノイズ耐性の中性子束モニタを開発

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素プラズマ実験で発生した中性子を精度良く計測し、管理するため、最新のデジタル回路技術を搭載した中性子束モニタを開発しました。本モニタは、広い測定領域、早い応答時間、及び高い電磁ノイズ耐性という優れた性能を合わせ持ち、LHDで安定稼働中です。JT-60SAやITERでの利用が具体化しており、核融合プラズマ実験における標準的な管理・計測機器としての活躍が期待されます。

プラズマからのエネルギー出力をコントロール

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置の重水素プラズマ実験において、回帰解析法という、“一つのパラメータが他のパラメータにどのように依存しているか”を表す手法を用いて、中性子発生数と外部から制御可能な計測パラメータとの依存関係を調べました。その結果、中性子発生数は、プラズマ密度と加熱パワーを用いた簡潔な数式で書けることが分かりました。この成果によって、将来の核融合エネルギー出力を制御するための一手法を手に入れることができました。

データ解析手法の工夫で解像度大幅アップ

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)で取得されたプラズマ表面の渦データに対して「最大エントロピー法」を適用し、渦の成分分析の解像度を大幅にアップさせることに成功しました。プラズマを安定に制御するためには、発生する渦の運動原理を理解することが必要です。その第一歩として、発生する渦の細かさや回転の速さを正確に知ることが求められます。新しい解析手法を用いることで、渦の成分を詳細に分解できるようになりました。

閉じ込め磁場の壊れが引き起こす閉じ込めの劣化とプラズマの流れを反転させる力を初めて観測

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)において、電磁波によってプラズマ中に駆動される電流の向きを変えプラズマ中心部の入れ子状の閉じ込め磁場を壊すことで、プラズマ粒子の漏れ出しとプラズマの流れが反転する現象を発見しました。この発見は、駆動電流の向きがプラズマの閉じ込めに重要であること、閉じ込め磁場の壊れが引き起こす流れのブレーキング効果が壊れによる逆向きの力により生じたことを明らかにしています。

地球の裏から遠隔実験
― 地球一周ルートで実験データの高速転送を実証 ―

LHDの研究成果

フランスで建設中のITERでは、膨大な実験データを超高速に長距離伝送する技術が不可欠で、日本のITER遠隔実験センターに大量データを高速複製する試験が進行中です。LHD実験データを用いてSINET5の地球一周経路を転送する実験を行った結果、通信開始時の処理が長くなる問題と、送受同時負荷がかかる国内への中継転送サーバに高速バッファ(SSD)の必要性が判明、2025年ITER実験開始に向けた技術改良に活かされます。

遠隔地のデータの存在がすぐに分かるデータ所在情報サービスとは?

LHDの研究成果

日本のITER遠隔実験センターでは、1万km以上離れたフランスにあるITERから全データを高速複製する計画です。複数の複製所在からデータを効率良く探すのに、データ所在データベースが重要な役割を果たします。通信遅延を考慮すると、データベース同士は「マルチマスター・非同期複製」を行う必要があります。本研究では、Postgres BDR が同機能を有し、約1千km離れた国内ネットワークで実験を行って日仏間複製に十分な性能を持つ事を確認しました。

プラズマにさらされる壁への熱負荷を計測するシステムを構築

LHDの研究成果

核融合炉のダイバータ板と呼ばれる場所には局所的にプラズマが流入し、大きな熱負荷が予想されるため、 その熱負荷を高精度に計測する必要があります。 本研究では、大型ヘリカル装置(LHD)において、2次元かつ高い空間分解能をもつサーモグラフィと熱伝導解析を組み合わせて,、ダイバータ板の熱負荷を高精度に計測するシステムを構築しました。これより、 LHDのダイバータ板が受ける熱負荷を詳細に解析することが可能になりました。

プラズマ中の揺らぎの回転が減速するメカニズムを解明

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマを閉じ込め磁場には、 回転する揺らぎが生じることがあります。 そして、 この揺らぎの回転速度がほぼゼロになるまで低下した後に、揺らぎが急増し、プラズマの閉じ込め性能が急激に劣化する現象が観測されています。本研究では揺らぎの回転の減速機構を実験的に解明しました。減速は揺らぎの増減に密接に関係しているので、この成果は炉心プラズマの深刻な性能劣化を引き起こす揺らぎの急増を回避あるいは抑制させる研究を加速させます。

LHDの中に蓄積する不純物層の分布をシミュレーションで完全再現

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)ではプラズマ実験を行う毎に、装置の中に不純物の層が地層のように蓄積していきます。この層は脆いので過度に蓄積すると、剥がれてしまう性質があります。この剥がれた不純物層がプラズマに入ると、プラズマが消失してしまいます。本研究によって、不純物層が蓄積しやすい場所をシミュレーションによって完全に再現できることが分かりました。これは核融合炉の安定な運転の実現に貢献できる研究成果です。

プラズマの混合を助ける乱流を発見

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の軽水素と重水素の混合プラズマ実験において、プラズマ中の軽水素と重水素の混合状態を世界で初めて計測しました。プラズマの加熱過程で発生するについて、乱流のサイズが小さい時には軽水素と重水素が「混ざらない状態」となり、大きい時には「混ざる状態」となることを発見しました。この成果は、核融合発電で用いられる水素同位体混合プラズマに必要な「混ざる状態」を作る方針となります。

中性子由来の信号評価により、人工ダイヤモンドを用いた高エネルギー粒子研究が可能に

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)では、プラズマ中の高エネルギー粒子の閉じ込めを研究するために、人工ダイヤモンドを用いた中性粒子分析器(NPA)を開発しました。しかし、このNPAには、中性子が発生する環境下では中性子由来のノイズが発生してしまうという問題があります。本研究では、このノイズを評価するために、東北大学と共同で、NPAにおける中性子の影響を明らかにしました。これにより、LHDにおけるNPAの信号から中性子由来のノイズを分離して、高エネルギー粒子の研究ができるようになりました。

光の計測により電子の運動の偏りを世界で初めて検出

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)において、水素原子が放出する光の偏光度を1%の精度で精密に計測することに成功しました。また、偏光角の解析から、プラズマ周辺部の電子については、磁場に垂直方向の運動が平行方向の運動よりも優勢であることが示され、これまでの直感的理解を支持する結果となりました。

64画素百万フレーム毎秒で映し出すプラズマゆらぎ画像

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験で使用するための超高速カメラを用いた計測装置の開発を行いました。プラズマ発光をカメラ用望遠レンズで取り込み、光ファイバーで計測装置に伝送します。超高速カメラは縦・横8x8の合計64画素しか持たない代わりに、百万フレーム毎秒の撮像スピードを誇ります。この高速撮影に特化した装置を用いて、プラズマの濃淡の高速変化を映し出すことに成功しました。

人工ダイヤモンドを使用した熱中性子計測

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素プラズマ実験において、人工ダイヤモンドを用いた熱中性子計測手法を確立しました。出力される電気信号の形状による信号振り分け手法を導入することで、従来の方法の1.5倍程度の効率で熱中性子計測が可能になりました。この成果は、核融合発電で発生する中性子の管理や燃料増殖率の高精度評価に繋がるもので、核融合炉開発研究を大きく進展させます。

ビッグデータにプラズマの状態を語らせる

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)におけるプラズマ実験で積み上げた大量のデータを使ってプラズマの状態を把握する手法を開発し、その実用性を示すことに成功しました。この成果は、核融合研究で蓄積されているデータを最大限活用する方法の道筋をつけるとともに、プラズマのリアルタイム制御などに向けた研究を大きく進展させるものです。

高イオン温度状態の維持を妨げる原因を探る

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置の高イオン温度プラズマ放電においては、プラズマを加熱する高エネルギーイオンが起こす磁場振動の発生によって、イオン温度が低下してしまう現象が観測されてきました。今回、重水素プラズマ実験の中性子発生分布を計測することで、高エネルギーイオンがこの磁場振動によってプラズマの外に逃げていることが分かりました。この結果に基づき、高イオン温度状態を長時間維持するための手法の構築が期待されます。

プラズマ中の波と共鳴する高速イオンの直接観測

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)では、核融合反応によって生成される高速イオンの閉じ込めを調べるために、その粒子を模擬した、中性粒子ビーム入射装置(NBI)によって生成された高速イオンを用いて実験を行っています。この高速イオンがプラズマ中の波と共鳴すると、波が大きくなって高速イオンをプラズマの外へと吐き出し、プラズマの性能が低下することが問題となっています。本研究では、吐き出された高速イオンを直接計測して、そのエネルギー分布の詳細な時間変化を観測することに成功しました。これにより、波と相互作用する高速イオンの詳細な振る舞いが解析できるようになりました。

大型ヘリカル装置におけるビームイオン閉じ込め時間の定量的な評価

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と統合シミュレーションを用いた解析により、中性粒子ビーム入射装置(NBI)によって生成されるビームイオンが、プラズマ中にどれだけの時間、留まっているのかを明らかにしました。これは重水素を用いた実験を行わなければ、明らかにできないものであり、ヘリカル型の大型装置では初の試みとなります。この成果は、多くの核融合プラズマ研究で必要とされる「加熱分布」から、不確かさを減ずるものであり、LHDにおけるプラズマ物理現象の解明に寄与することが期待されます。

水素同位体効果の新たな側面の観測に成功

LHDの研究成果

「水素同位体効果」とは、質量の大きい燃料ガスで生成したプラズマのほうが、温度が上がりやすくなるという現象です。この現象は、重水素と三重水素を燃料として用いる将来のプラズマ核融合炉で、より性能の良いプラズマが生成できることを示唆していますが、その原因は未だ謎に包まれています。大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験で、水素同位体効果のこれまでとは異なる側面の観測に成功しました。

磁力線の籠の強度低下によるプラズマ温度崩壊のメカニズムを解明

LHDの研究成果

磁場閉じ込め核融合では、高温のプラズマを磁力線で編んだ籠を用いて空間に留めます。プラズマ中に電流が流れると、この籠の強度が低下し、プラズマ温度崩壊と呼ばれる極端な中心プラズマ温度の低下が発生します。プラズマ温度崩壊が起こる際の磁力線とプラズマ温度の振動を詳細に計測し、原因となる波の存在を明らかにしました。この波は、半径方向に2つの節を持つ定在波で、プラズマ中で速度を落としながら周方向に回転します。

磁力線の結び目に集中するプラズマの発光を解明

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置のプラズマを新たに開発した数値シミュレーションコードによって計算した結果、プラズマの発光がX点とよばれる磁力線の結び目に集中して起こること、およびそのメカニズムが宇宙の星の形成過程で起こっている熱的不安定性と呼ばれる過程と同じメカニズムであることが解明されました。この成果によって将来の核融合装置の磁力線構造を最適化することでプラズマの発光を制御する研究が大きく進展することになります。

ミリ波の伝播をリアルタイム制御し、高効率なプラズマ加熱を実現

LHDの研究成果

電子サイクロトロン加熱用のミリ波入射系をリアルタイム制御するシステムを開発し、大型ヘリカル装置(LHD)の時々刻々変化するプラズマに対して最適入射することで、プラズマを高効率加熱できることを示しました。またこの制御系を利用して、高電子温度運転や高密度運転の性能向上に成功しました。この成果は高パワー・長時間運転時の高効率加熱の維持だけでなく、核融合プラズマの性能を評価する輸送研究の高精度化にも貢献します。

LHDにおけるミリ波・サブミリ波散乱によるイオン計測

LHDの研究成果

プラズマ中のイオンと高速イオンの状態を調べるために、電磁波の散乱現象を利用した協同トムソン散乱(CTS)計測の開発を進めています。世界初のサブミリ波である300 GHz帯の散乱計測の開発状況を報告しました。また、世界に先駆け深層学習を用いて1次元の計測した散乱信号から2次元の非等方イオン速度分布を求める速度空間上のトモグラフィ手法を提案しました。この成果は、核融合で発生するするα粒子の状態を調べる手法の進展に貢献しています。

LHDを利用した各種元素からの発光スペクトルの実験データベース構築

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ中に、原子番号36から83の範囲の各種元素を不純物として入射し、プラズマからの発光を分光器で観測しました。その結果、スペクトルの原子番号や電子温度に対する依存性が系統的に整理され、理論計算との比較による解析が進展し、新たなスペクトル線も発見されました。本研究により、核融合のみならず原子物理学やプラズマ応用の分野でも有用な実験データベースが整備されました。

軽い水素と重い水素でプラズマの閉じ込めが違う

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の実験において、原子核に中性子を持たない軽い水素(軽水素)のプラズマより、原子核に中性子を持つ重い水素(重水素)のプラズマの方がプラズマの乱流が抑えられて閉じ込めがよくなることが分かりました。将来の核融合では重水素と原子核に中性子を二つ持つさらに重い三重水素で行われるため、さらに閉じ込め性能が改善することが期待されます。

トレーサーで探る水素同位体のゆくえ

LHDの研究成果

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素実験で生成される極僅かの三重水素をトレーサー(追跡子)として利用することで、実験装置の水素同位体挙動を明らかにすることができました。さらに、装置内壁から放出される三重水素は、水素同位体交換反応と材料中の拡散現象に律速されていることを明らかにしました。この成果は、将来の核融合炉で燃料として使用される三重水素の安全取り扱い、燃料循環システムに関する貴重な知見となります。

プラズマの磁気島内部に浸透する乱流

LHDの研究成果

核融合科学究所の大型ヘリカル装置(LHD)で考案した「瞬時加熱伝播法」を米国のトカマク装置(ダブレットIII-D)に応用し、米国の共同研究者と共に、乱流が磁気島内部に伝播するという現象を観測しました。核融合を目指した磁場閉じ込めプラズマでは、温度・密度の上昇に伴い乱流が発生することはよく知られていますが、この乱流が伝播するという性質を持つことを初めて実験で発見しました。