研究成果

高エネルギー粒子に励起された波動の空間分布と波動による高エネルギー粒子の輸送を同時に観測

大型ヘリカル装置の重水素実験において、レーザー干渉計、高時間応答高速中性子シンチレーション検出器、及び損失高エネルギーイオンプローブを用いる事で、高エネルギー粒子によって励起された波動の空間分布、及び粒子波動相互作用による高エネルギー粒子輸送の様子を同時に観測しました。本成果によって、核融合炉におけるアルファ粒子閉じ込めの理解につながる重要な知見を得ました。


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(左)レーザー干渉計、高時間応答高速中性子シンチレーション検出器、及び損失高エネルギーイオンプローブの模式図。(右)電子密度揺動振幅、中性子発生率、損失高エネルギーイオン束の時間変化。

将来の核融合炉においては、主加熱源であるアルファ粒子によって駆動される波動によってアルファ粒子自身がプラズマの外へと運ばれる(輸送される)と、第一壁の局所的な損傷を招く可能性があります。将来の核融合炉におけるアルファ粒子の輸送を理解するため、現行のプラズマ実験装置においては、ビームイオンなどの高エネルギー粒子を用いた実験が行われています。将来の核燃焼プラズマにおけるアルファ粒子が駆動した波動によるアルファ粒子の輸送を精度良く予測する為には、実験結果と数値シミュレーションとの比較が肝要です。数値シミュレーションの精度を上げる為には、高エネルギー粒子によって駆動された波動の空間分布と、高エネルギー粒子の輸送を同時に取得した実験データとの比較が必要です。

本研究チームは、将来の核燃焼プラズマにおけるアルファ粒子の閉じ込めの理解を目的として、大型ヘリカル装置の重水素ガスを用いたプラズマ実験において重水素ビームイオンを用いた実験研究を行いました。具体的には、レーザー干渉計を用いたビームイオンによって駆動される波動の空間分布の取得、高時間応答高速中性子シンチレーション検出器を用いたプラズマ内に閉じ込められているビームイオンの総量、及び損失高エネルギーイオンプローブを用いたプラズマ外に逃げたビームイオンの速度情報の同時測定に臨みました。

レーザー干渉計による電子密度揺動計測を行い、3つの異なる周波数をもつ波動の空間分布を取得しました。実験データに基づく数値シミュレーションと比較することで、観測された波動は、捻れアルヴェン波の一種であるアルヴェニックアバランシェに分類されることを示しました。また、波動の発生に伴う中性子発生率の減少と高エネルギー粒子損失束の増大を観測しました。これらは、ビームイオンによって駆動された波動によってビームイオン自身がプラズマ外へ逃げていることを示しています。加えて波動の振幅と中性子束の減少率の関係から、波動と共鳴した高エネルギー粒子が強く輸送されていることを示しました。本結果によって、核融合炉におけるアルファ粒子閉じ込めの理解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小川国大らの研究グループ、タイ・マハサラカム大学のS. Sangaroon博士、富山高等専門学校の高田英治教授、京都大学の村上定義教授、韓国・核融合エネルギー研究院のJ. Jo博士との協力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2022年9月29日付けで掲載されました。

K. Ogawa et al., “Studies of energetic particle transport induced by multiple Alfvén eigenmodes using neutron and escaping energetic particle diagnostics in Large Helical Device deuterium plasmas”, Nuclear Fusion 62 (2022) 112001.