研究成果

プラズマ内の高エネルギー粒子の空間分布の測定

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素プラズマ実験において、中性子発生分布を計測する中性子カメラを用いることで、プラズマ内に閉じ込められている高エネルギー粒子の空間分布を測定しました。高エネルギー粒子軌道計算から予測される中性子発生分布と比較したところ、高・中磁場強度条件において実験結果と良く一致することが分かりました。これによって、LHDにおける高エネルギー粒子閉じ込めの定性的な理解が進みました。


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数値シミュレーションから予測されたLHDの中性子発生分布。

将来の核融合プラズマにおいては、核融合反応で生成された高エネルギー粒子がプラズマを加熱し、高温・高密度のプラズマが維持されます。そのため、核融合発電の実現には高エネルギー粒子の良好な閉じ込めが必須と言えます。将来の核融合プラズマにおける高エネルギー粒子閉じ込めの予測を高い精度で行う為には、現存のプラズマ発生装置において、数値シミュレーションの検証が必要です。これまで、大型ヘリカル装置(LHD)では、プラズマ全体から出る中性子を計測することで、ヘリカルプラズマにおける高エネルギー粒子閉じ込めを研究してきました。

本研究チームは、中性粒子ビーム加熱入射の向き、及び磁場強度が高エネルギー粒子閉じ込めにどのように影響を与えるかについて着目しました。最新のデジタル回路技術を用いて開発した中性子発生分布計測装置を用い、中性粒子ビーム加熱の入射方向、及び磁場強度の違いによって、中性子発生分布が異なる実験結果を得ました。

本研究では、更に高エネルギーイオンの軌道追跡数値シミュレーションを用いて、実験時に観測される中性子発生分布の予測を行いました。高磁場・中磁場強度条件において計算した中性子発生分布の形は、実験で得られた中性子発生分布の形とよく一致している結果が得られ、LHDにおける数値シミュレーションの検証を行うことが出来ました。

本研究は、核融合科学研究所の小川国大、磯部光孝らの研究グループと、量子科学技術研究開発機構 杉山翔太博士、アメリカ・オークリッジ国立研究所 D. A. Spong博士、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、この研究成果は、第28回国際原子力機関核融合エネルギー会議において口頭発表に選出され、プラズマ物理学に関する国際的な学術論文誌「プラズマ・フィジクス・アンド・コントロールド・フュージョン」に2021年4月28日付けで掲載されました。

K. Ogawa et al., "Characteristics of neutron emission profile from neutral beam heated plasmas of the Large Helical Device at various magnetic field strengths", Plasma Physics and Controlled Fusion 63 (2021) 065010. [NIFS Repository]