プラズマ崩壊を引き起こす揺らぎの発生条件を特定
大型ヘリカル装置の比較的高密度プラズマにおいて、プラズマの揺らぎが急激に成長し、閉じ込め性能が大きく劣化する現象を発見した。このような不安定性は、揺らぎがプラズマ境界に近いところで発生する時、急激に成長することがあることを明らかにしました。この成果は、核融合発電を阻害する不安定性の発生機構を解明するための研究を大きく進展させます。
大型ヘリカル装置では、圧力勾配をエネルギー源としたプラズマの揺らぎが発生することがあります。典型的には、この揺らぎは比較的低い振幅で飽和するため、閉じ込め性能の急激な劣化は引き起こしません。しかし、密度が比較的高い値まで増加すると、揺らぎの飽和振幅は非常に大きくなり、揺らぎの位置での圧力勾配が劣化し、中心圧力が低下する現象が発生します。このような不安定性は、ヘリカル方式の核融合炉で課題となるため、どのような条件で発生するのかを理解しておくことが必要です。
本研究チームは、磁場容器の形状やプラズマパラメータを幅広く変化させることで、不安定性が発生する実験条件の同定を行いました。外部コイルによりドーナツ状の磁場容器の位置を変化させると、その位置がドーナツの中心からある特定の距離にある場合に限って不安定性が発生することを発見しました。つまり、磁場容器がドーナツ中心に近づきすぎたり、離れすぎたりすると、不安定性は観測されません。また、磁場容器からドーナツ中心までの距離が長くなるにつれて、不安定性が発生するプラズマの圧力は小さくなることが分かりました。磁場容器からドーナツ中心までの距離が長くなるとともに、あるいは、プラズマ圧力の増加とともに、不安定性のもとになる揺らぎの位置はプラズマ境界方向に移動することが知られているので、この結果は、磁場容器の位置とプラズマ圧力の効果の組み合わせで、揺らぎがプラズマ境界近くで発生する場合のみ、不安定性が成長することを示唆しています（図・下）。
シミュレーション研究によると、揺らぎの位置がプラズマ境界近くで、境界よりは少し外側に位置する場合に揺らぎが不安定になることが予想されています。本観測結果は、揺らぎの位置がプラズマ境界に近い場合に不安定性が発現するという点で、このシミュレーションと矛盾がありません。
この成果によって、崩壊を伴う不安定性の発現機構の解明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武村勇輝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、米国物理学協会が刊行する学術論文誌「フィジクス・オブ・プラズマズ」に2022年9月21日付けで掲載されました。