プラズマの混合を助ける乱流を発見
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※1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。
核融合発電では、プラズマ中の重水素と三重水素の核融合反応で発生したエネルギーを取り出します。効率良く核融合反応を起こすためには、重水素と三重水素の密度が等しく混ざり合っている状態を維持することが必要です。大型ヘリカル装置（LHD）では、将来の核融合発電で用いられる「重水素」と「三重水素」の混合プラズマを模擬して、「軽水素」と「重水素」の混合プラズマの実験を行いました。
本研究チームは、軽水素と重水素の混合プラズマにおける２つの密度比の計測に取り組みました。密度比を得るために、高速の粒子ビームをプラズマに入射して、プラズマから発せられる光の波長分布を分析する方法（バルク荷電交換分光法※2）を用いました。これまで困難とされていた、波長の差が極めて小さい軽水素と重水素から発せられる光を分離する手法を開発し、この密度比を求めることに成功しました。
この方法を用いて、密度比の空間分布を計測した結果、軽水素と重水素が「混ざり合っていない状態」から「混ざり合っている状態」へと変化（遷移）することを発見しました。さらに、実験結果とスーパーコンピュータを用いたシミュレーション結果と比較しました。サイズが小さい乱流では軽水素と重水素を混ぜることができず、サイズが大きい乱流が強くなっている時に軽水素と重水素が混ざり合っていることが分かりました。この結果により、プラズマ乱流のサイズを制御することができれば、同位体の混合状態を制御することが可能であることが分かりました。
核融合装置では中心部のプラズマに燃料を直接供給することが困難なため、周辺のプラズマの密度比は容易に制御できますが、核融合反応に寄与する中心の密度比の制御は難しいという問題があります。今回の成果によって、プラズマ中心部の密度比の制御法につながる重要な知見を得ることができました。
本研究は、核融合科学研究所の居田克巳、仲田資季らの研究グループと九州大学応用力学研究所の山崎広太郎との協力によって進められ、この研究成果の速報が2020年1月14日付けの米国物理学会が刊行する学術論文誌「フィジカル・レビュー・レターズ」に掲載され、詳細が2020年11月23日付けの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」に掲載されました。
論文情報
- K. Ida et al., "Characteristics of plasma parameters and turbulence in the isotope-mixing and the non-mixing states in hydrogen–deuterium mixture plasmas in the large helical device", Nuclear Fusion 61 (2021) 016012. [NIFS Repository]
- K. Ida et al., "Transition between isotope-mixing and non-mixing states in hydrogen-deuterium mixture plasmas", Physical Review Letters 124 (2020) 025002. [NIFS Repository]
用語解説
※1 乱流：プラズマを加熱することで温度勾配が大きくなり、様々な大きさの渦や流れが発生し、それらが不規則に並んだ状態のこと。乱流が発生すると、温度の上昇が妨げられたり、プラズマの粒子が渦によってかき混ぜられたりする。
※2 バルク荷電交換分光法：プラズマに入射した高速の中性粒子（原子）とプラズマ中のイオンが衝突して出す光を利用して、プラズマ内部の同位体密度比（軽水素と重水素との密度比）を計測する方法。