LHDにおけるビームイオン損失機構の解析
大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と、統合シミュレーションによる解析によって、LHDにおけるビームイオン損失の物理機構を定量的に解析しました。大型のトカマク型装置では、ビームイオン損失の原因は「新古典輸送※1」によるものが殆どであると知られていましたが、LHDでは新古典輸送を考慮したシミュレーションでは実験結果を再現できず、その他の物理機構が主な原因となっていることを定量的に明らかにしました。
（右図）実験結果と新古典理論※3に基づくシミュレーション結果の比較。横軸は粒子損失がないと仮定した場合の理論的な中性子減衰時間、縦軸は実験・シミュレーションで得られた中性子減衰時間。シミュレーションでは実験結果を再現できず、傾きが1の直線状に分布するため、新古典輸送は実際のビームイオン損失に殆ど効いていない。
先行研究「大型ヘリカル装置におけるビームイオン閉じ込め時間の定量的な評価（2020/06/17）」では、大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験で発生する中性子発生量の計測結果と統合シミュレーションを用いた解析により、中性粒子ビーム入射装置（NBI）によって生成されるビームイオンが、プラズマ中にどれだけの時間、留まっているのかを定量的に明らかにしました。しかし、この解析からでは、「どのような物理現象によって、ビームイオンが損失しているか」までは明らかになっていませんでした。本論文ではこのビームイオン損失の物理機構を統合シミュレーションによる解析を試みました。
JT-60Uを始めとする大型トカマクでは、ビームイオン損失は「新古典輸送（新古典理論に基づく粒子損失）」によって説明できることが知られていました。大型のヘリカル型装置では、同様の解析が為されておらず、重水素実験が可能となったことで、実験的な検証が可能となりました。通常、ヘリカル型装置では、トカマク型装置に比べて新古典輸送が大きいことが理論的に知られており、このような背景から、本研究ではまず新古典輸送の寄与を明らかにするためのシミュレーションを行いました。
シミュレーションと実験結果との比較の結果、図に示すように、LHDで得られた実験結果は新古典理論では説明できないことが明らかになりました。これは大型トカマクでの結果とは異なり、LHDでは主に「新古典輸送以外の物理機構」によってビームイオンが損失していることを意味します（新古典輸送が存在しないわけではありません）。論文中では比較的簡易な解析によって、この物理機構が「荷電交換反応損失」であることが予想される、と示しました。この荷電交換反応損失は、ビームイオンがプラズマ中に僅かに存在する中性粒子と衝突することで起こりますが、「プラズマ中の中性粒子」は計測不可能な量であるため、この予想を確かめるには、さらに詳細な解析が必要となります。
本研究は、核融合科学研究所の奴賀秀男らの研究グループよって進められ、この研究成果は、プラズマ・核融合学会のオンライン学術論文誌「プラズマ・アンド・フュージョン・リサーチ」に2021年4月21日付けで掲載されました。
論文情報
用語解説
- 輸送：プラズマを構成する荷電粒子は電荷を持っているため、磁力線に対して垂直な方向への移動が制限されるが、実際には様々な要因で磁力線に対して垂直方向に移動する。この磁力線に対して垂直方向への粒子移動を、磁化プラズマ分野では「輸送」と呼ぶ。
- ※1 新古典輸送：新古典理論に基づく輸送。乱流輸送に対して、新古典輸送を単に古典輸送と呼ぶ人もいる。
- ※2 荷電交換反応：標的核の陽子 (中性子) と入射核の中性子 (陽子) を交換する直接反応である。
- ※3 新古典理論：磁場閉じ込め核融合炉や磁気圏プラズマなど、磁場強度が空間的に不均一な状況下での、荷電粒子の運動を説明する理論。磁場強度が均一な状況下での荷電粒子運動の理論（古典理論）に対して、新古典理論と呼ばれる。