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
「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。
「水素同位体効果」とは、質量の大きい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。理論的な予測では、プラズマ粒子により大きな遠心力の働く、重たいプラズマの方が熱を外に逃がしやすいと考えられていました。ところが、実際のプラズマでは、この予測と逆のことが起こります。この現象は、世界各国の実験装置で普遍的に観察されるものであるのにも関わらず、その発生原理は解明されていませんでした。水素同位体効果により、重水素と三重水素を用いる将来の核融合炉では性能の良いプラズマが生成されることが期待されるため、その原理の解明が求められています。
研究グループは、プラズマ中にできる断熱層を重水素プラズマと軽水素プラズマで比較し、その強度に強い水素同位体効果が現れることを発見しました（左図）。プラズマの断熱性は、プラズマパラメータに強く依存することが知られています。プラズマ加熱パワーを、プラズマ密度で除したものを変化させると、断熱層の強度が変化します（右図）。断熱層強度が弱い場合、重水素と軽水素のプラズマに目立った違いは見られません。ところが、断熱層強度が強い条件では、重水素プラズマでより強い断熱層が形成されることがわかりました。
この原因を追求するため、プラズマ中の様々なパラメータと断熱層強度の相関を、主成分分析を用いて解析しました。主成分分析は、同時に変化する様々なパラメータの中から、対象の結果を説明するのに重要なパラメータを抜き出す統計解析手法です。今回は、断熱層強度と加熱パワー/プラズマ密度に加え、密度分布勾配、不純物密度、不純物密度勾配を対象のパラメータとし、それらの相関を解析しました。その結果、断熱層強度は、加熱パワー/プラズマ密度に加え、密度分布勾配に強い相関を持つことがわかりました。重水素プラズマでは、密度分布が中心部分でピークしやすく、その結果として強い断熱層が形成されると結論づけました。断熱層強度と密度分布ピークの関係は、様々な理論モデルで説明がなされつつあります。今後は、これらのモデルを利用しつつ、今回の観測結果の説明を行なっていきたいと考えています。
本研究は、核融合科学研究所の小林達哉らの研究グループによって進められました。
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2021年6月15日付けで掲載されました。