ICRFプラズマ生成実験の進展
大型ヘリカル装置（LHD）の実験において、イオンサイクロトロン周波数帯電磁波（ICRF）を用いたプラズマ生成と追加熱によって、より高いICRFパワーでのプラズマ生成維持に成功しました。この方法で得られたプラズマは、従来の実験よりも6倍高い密度を達成しました。本成果は、プラズマ生成とプラズマの加熱を同一ショットでの実現、さらに加熱装置の改良、最適化等の進展に貢献することが期待されます。
多くの磁場閉じ込めプラズマ装置には、プラズマの生成と加熱の両方に使用でき、汎用性がある電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）が用いられています。しかし、ECRHによるプラズマ加熱と生成は、プラズマ閉じ込め容積内で電子サイクロトロン共鳴条件が満たされている場合にのみ可能で、その条件によって装置動作が可能な磁場範囲は制限されることがあります。装置動作が可能な磁場範囲を広げるには、ECRH以外の方法を探す必要があります。そこで、ICRF加熱によるプラズマ生成実験を行いました。
大型ヘリカル装置（LHD）では、ECRH、中性粒子ビーム入射加熱（NBI）、ICRF加熱（ICRH）の3つの異なる加熱システムが使用されています。本研究では、異なる加熱システムを組み合わせ、 ECRH+ICRH、ICRH+NBI、ICRH を実施しました。
予備電離（プラズマ生成前に一度プラズマを作ること）を伴うECRH+ICRHでは、ECRH放電によって初期プラズマが生成され、予備電離で使用したECRHパルス後のプラズマ減衰時にICRFパワーを入射しました。プラズマパラメータは、以前の実験結果から増加しました。
ICRH+NBIおよびICRHでは、予備電離は行われず、ICRFによってのみプラズマが生成されました。また、アンテナの損傷の原因となる絶縁破壊等を防ぐため、RFパワーを徐々に入射しました。プラズマ生成後、ICRH+NBIではICRFによるプラズマ生成後に垂直NBIを行ったが、プラズマを維持することができませんでした。一方、ICRHでは約800 kW（密度約27 kWm-3）のRFパワーを入射すると、RFパルス開始後約300 msで最大密度約6×1018 m-3に到達しました。その後、密度は2.7×1018 m-3まで減少し、RFパルスが終了するまで変化しませんでした。これは、プラズマ密度やイオン比に関して効率的なプラズマ加熱のための条件が整っていないためだと考えられます。イオン比を調整しプラズマ加熱効率を上昇させることで、より高密度なプラズマ生成することが期待できます。このICRFによるプラズマ生成にICRHを追加する方法は、プラズマ生成とプラズマ密度上昇のための加熱を同一ショットで実現する道を開きました。
本研究は、Yu.V. Kovtun博士およびV.E. Moiseenko博士の指揮のもと、LHD研究グループとの共同研究により行われました。また、この研究は、Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No. 101052200-EUROfusion) を通じて欧州連合から資金提供されたEUROfusion Consortiumの枠組みの中で実施されています。
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2023年8月23日付けで掲載されました。