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
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。
磁場閉じ込めプラズマ核融合では、１億度近い高温のプラズマを、核融合炉内に留めておく必要があります。このような高温状態に耐えられる材料は存在しないため、物理的な壁だけを用いてプラズマを閉じ込めることは不可能です。このため、コイルを用いて発生させた磁力線によって、プラズマを核融合炉内に維持します。プラズマの安定性を高めるため、磁力線の角度を場所によって変化させ、編み込んだ籠のような構造を作ります。核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)に代表される、ねじれた磁場コイルを持つヘリカル型核融合装置では、この磁力線の籠がとても安定していることが利点の一つです。一方で、プラズマ中に何らかの理由で電流が流れてしまったりすると、この籠の強度が弱まり、せっかく閉じ込めたプラズマの熱が外部に漏れ出してしまいます。この現象を防ぐためには、籠の強度が弱まった際にどのようなメカニズムで熱が外部に漏れ出してしまうかを理解する必要があります。
研究グループは、プラズマ加熱用に用いる中性粒子ビーム装置や電子サイクロトロン高周波発生装置を用いて、プラズマ中心部に強い逆向き電流を流す運転を行いました。この際、プラズマ温度崩壊と呼ばれる、中心プラズマ温度の極端な低下が見られました。プラズマ温度崩壊の発生原因を明らかにするため、現象が発生する際の磁力線の籠とプラズマ温度の振動を、様々な計測器を連携させて詳細に観察しました。その結果、今回観察されたプラズマ温度崩壊は、プラズマ中で速度を落としながら周方向に回転する波によって引き起こされていることがわかりました。この波は、半径方向には2つの節を持つ定在波となっているという特徴があります。時間が経過してプラズマ温度崩壊によってプラズマ温度が平坦化してしまった後では、この2つの節は徐々に近づいてやがて結合し、1つの腹になります。2つの節が消滅した後では、波自体は残っているのにも関わらず中心プラズマ温度は再び回復していきます。プラズマ中心に流す電流の方向を順方向に変えると、磁力線の籠の強度が弱くなることを防ぐことができ、プラズマ温度崩壊現象は見られなくなります。
本研究は、核融合科学研究所の小林達哉、居田克巳らの研究グループと、オランダ・アイントホーフェン工科大学のマイクサンダースらの協力によって進められ、この研究成果は、国際原子力機関が刊行する熱核融合に関する学術論文誌「ニュークリア・フュージョン」に2020年2月18日付けで掲載されました。