壁への熱負荷の減少過程を実験とシミュレーションで詳しく解析
この研究の成果は、核融合炉の運転においてどのようにすれば熱負荷の低減が可能かを示したことです。ネオンのような不純物を適切に注入することで、プラズマのエネルギーを分散させ、特定の部分への熱の集中を防ぐことができます。本研究では、実験とシミュレーションを組み合わせることで、熱のピークを和らげられる場所が磁場の構造と強く関係していることを明らかにしました。
核融合炉では、超高温のプラズマが維持されながら大量のエネルギーが発生し、その一部がダイバータ板と呼ばれる部分に流れ込みます。この熱負荷が大きすぎると、ダイバータ板が損傷し、炉の安定運転が困難になります。本研究では、大型ヘリカル装置（LHD）において、ネオン（Ne）などの不純物を注入することで、放射冷却を活用して熱負荷を軽減する方法を調査しました。特に、ダイバータ板に発生する複数の熱負荷ピークに対して、この熱負荷低減手法がどのように効果を発揮するかを解析しました。
本研究チームは、LHDを用いて発生させたプラズマに対し、Neガスを少量注入することで熱負荷の変化を観測しました。ダイバータの表面温度を赤外線カメラで測定し、有限要素法という手法でダイバータ表面への熱負荷の分布を解析しました。また、EMC3-EIRENEというシミュレーションコードを使って計算した熱負荷を、実験結果と比較して、熱負荷の変化の仕組みを詳しく調べました。
実験の結果、Neを注入することでダイバータの熱負荷が大幅に減少することが確認されました。しかし、その影響は熱負荷ピークの場所によって異なっていました。低い加熱パワーの場合、広く分布する熱負荷のピークが和らぎましたが、高い加熱パワーの場合、同じ位置の熱負荷はほとんど変化せず、代わりに別の箇所に発生する局所的な熱負荷のピークが大きく低減しました。シミュレーションの結果と比較すると、これらの変化は磁場の構造と密接に関係していることがわかりました。磁場の形によってプラズマの熱がどこに集中するのかが決まりますが、加熱パワーが違うと、Neがプラズマ中へどの程度浸透できるかということにも影響があります。この実験から、将来の核融合炉においては、磁場の構造と不純物の浸透を考慮しながら熱負荷を効率的に分散し、ダイバータ板の損傷を防ぐ運転を行うことが重要であると示されました。
この研究では、核融合炉のダイバータ熱負荷を軽減するために、不純物の注入がどのように働くのかを調べました。Ne注入によって熱負荷のピークが和らぐことが実験とシミュレーションの両方で確認されました。2次元のダイバータ熱負荷分布を実験と計算で詳細に比較した研究は、これまで十分になされていませんでしたが、熱負荷の低減効果は熱負荷の低減効果は磁場の構造と関係があり、さらに不純物の浸透のしやすさによっても異なることが明らかになりました。これらの知見は、将来の核融合炉の設計や運転に役立つと考えられます。
本研究は東京大学の林祐貴、量子科学技術研究開発機構の河村学思、核融合科学研究所の増崎貴、小林政弘らの研究グループの協力により進められました。
この研究成果は、プラズマ物理学と核融合に関する国際的な学術論文誌「プラズマ・フィジックス・アンド・コントロールド・フュージョン」に2025年1月6日付けで掲載されました。