2020年12月22日 ⎮ 研究成果 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
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大型ヘリカル装置;LHD(左図)では,コイルにより形成される入れ子状の磁場のかごによりプラズマが閉じ込められています(右図上).大域的な揺らぎが生じると,磁場のかごが変形します(右下図).揺らぎはプラズマとともに回転する様子が観測されています.補助コイルにより追加した磁場と揺らぎの回転との関係を調べました.
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.

磁場閉じ込め方式のプラズマ実験装置では,入れ子状の磁場のかごによりプラズマを閉じ込めます.しかし,プラズマを構成する荷電粒子の集団的な振る舞いによりプラズマや磁場の大域的な揺らぎが成長し,閉じ込め用の磁場のかごが変形してプラズマの閉じ込め性能が劣化することがあります(このような大域的揺らぎが成長する現象をMHD不安定性と呼びます).この揺らぎはプラズマとともにほぼ一定の角速度で回転しています.一方,揺らぎが大きく成長するような, より不安定な条件で実験を行うと,角速度がほぼゼロになるまで低下した後に揺らぎが急激に成長し,閉じ込め性能が深刻なレベルにまで劣化する現象を観測しました(この現象をロックトモード様不安定性と呼びます).類似した現象がトカマク装置でも観測されており,磁場閉じ込め方式核融合研究の重要課題の一つになっています.

本研究グループは,LHDで観測されるロックトモード様不安定性に着目し,閉じ込め性能の深刻な劣化に密接に関連する揺らぎの回転の減速機構について調べています.LHDにはプラズマを閉じ込めるための強力な磁場を発生するコイルに加えて, 補助コイルが設置されています. この補助コイルを用いて追加した磁場が, 揺らぎの減速特性に与える影響を調べました.結果,補助コイルによる磁場を大きくすると,減速開始から停止するまでに要する時間(減速時間)が短くなること,つまり,より減速しやすくなることが分かりました.

揺らぎはプラズマとともにポロイダル方向(図参照)に回転しています. このプラズマの回転を減速させる代表的な原因として,ローレンツ力(j×B力)があります.電流jはMHD不安定性によりプラズマ中に引き起こされ, トロイダル方向(図参照)に流れます.ここにドーナツ断面の中心を基準とする動径方向の磁場があれば, ローレンツ力によってプラズマの回転が減速します. この磁場Bには二種類あり,1つは補助コイルにより印加される磁場(BRMP)で,もう一つはプラズマを囲む真空容器の壁にMHD不安定性が引き起こす渦電流による磁場(Brw)です.(ちなみに, 理想的なプラズマ閉じ込め磁場の動径方向成分はほぼゼロです.)それぞれの減速力を実験的に評価して減速時間と比較すると,減速時間はj×Brwの増加とともに長くなり,一方,j×BRMPの増加とともに短くなりました.減速力の増加とともに,減速時間は短くなることが予想されるので,ロックトモード様不安定性放電における減速機構は主にj×BRMPで決まっていることが明らかになりました.ちなみに,トカマク装置で観測される類似した不安定性においては,j×Brwが主な減速機構であると考えられています.

回転減速後に揺らぎが成長し,閉じ込め性能が急激に劣化する現象はヘリカル/トカマク装置双方の共通の課題となっています.本成果によって減速の機構が明らかになったことで, MHD不安定性の安定化手法の開発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武村勇輝,渡邊清政らの研究グループによって進められ,Y. Takemura et al., "External RMP effect on locked-mode-like instability in helical plasmas", Nuclear Fusion 61 (2021) 026011.として,国際原子力機関が発行している学術論文誌「ニュークリア・フュージョン」に2020年12月22日付けで掲載されました.

【用語解説】
  • ロックトモード様不安定性: https://www.nifs.ac.jp/NIFS-NEWS/pdf/225-2.pdf