核力を介した散乱によるエネルギー移行現象の観測
軽水素ビームと重水素ビームを入射したLHD重水素プラズマにおいて中性子発生率とその減衰時間を解析し、九州大学で開発した数値シミュレーションと比較することで、原子核を構成する中性子と陽子を結びつけている核力によって高エネルギー軽水素イオンから高エネルギー重水素イオンへエネルギーが移行する現象を観測しました。本成果によって核融合炉における発電効率の向上につながる重要な知見を得ました。
 |
 |
プラズマ中のイオンの衝突においては、通常、プラスの電気とプラスの電気が反発する力”クーロン力”による効果であるクーロン散乱が支配的です。しかし、イオンのエネルギーが高くなるとイオン同士がさらに接近し、原子核を構成する中性子と陽子を結びつけている力”核力”による核弾性散乱が無視できなくなります。クーロン散乱は、散乱角度が小さく、一衝突辺りのエネルギー移行量が小さいのに対し、核弾性散乱は、散乱角度が大きく、一衝突辺りのエネルギー移行量が大きいという特徴があります。核弾性散乱によって、イオン加熱の促進や、イオンの分布関数が変わるといった効果があり、それによって、将来の核融合炉における核融合反応性の向上が見込まれます。
本研究グループでは、LHDの重水素プラズマ実験において、重水素プラズマ中に高エネルギー重水素ビームと軽水素ビームとを同時に入射し、主にバルク重水素イオンと高エネルギー重水素イオンの反応による中性子発生率とその減衰時間を解析しました。中性子発生率の減衰時間は、高エネルギー重水素イオンの速度分布の変化を反映します。実験で得られた中性子発生率の減衰時間は、クーロン散乱だけを考えた数値解析シミュレーションで予測される中性子発生率の減速時間より長く、クーロン散乱過程だけでは説明できない高エネルギーイオン間のエネルギー移動現象を観測しました。高エネルギーイオン間のエネルギー移動現象理解のため、プラズマの分布関数を解析するフォッカープランク解析モデルに核弾性散乱を記述するボルツマン衝突項を加えたボルツマン・フォッカープランク計算シミュレーションを用いた数値解析を行いました。その結果、高エネルギー軽水素イオンから、バルク重水素イオンを介して高エネルギー重水素イオンにエネルギーが移っていることが分かりました。核弾性散乱は一衝突辺りのエネルギー移行量が大きいため、核弾性散乱によるエネルギー移行と、クーロン散乱によるエネルギー移行とが同等になったことが考えられます。本結果によって、将来の核融合炉における発電効率の向上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、九州大学の松浦秀明准教授研究室のグループと核融合科学研究所の小川国大准教授、磯部光孝教授らの協力によって進められました。
この研究成果は、米国物理学協会が刊行する学術論文誌「フィジックス・オブ・プラズマズ」に2022年9月12日付けで掲載されました。