研究成果

強力な粒子排気でプラズマ粒子を制御

大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験において、ダイバータと呼ばれる領域に水素燃料粒子を圧縮し、かつ真空ポンプにより強力に排気することによってプラズマ粒子の制御性が向上することを発見しました。この成果は、核融合発電における粒子制御の研究を大きく進展させるものと期待されます。 image
大型ヘリカル装置(LHD)の磁場で閉じ込められたプラズマの周辺部では、ダイバータと呼ばれる領域内にプラズマが引き込まれ、プラズマは中性ガスとなります。LHDのダイバータ内部には極低温真空ポンプが実装されており、中性ガス化された水素燃料などを強力に排出します。

核融合発電は、1億度を超える高温プラズマに水素燃料を注入し、注入された水素が高温のイオンとなって核融合反応を起こすことで成立します。イオン化した水素(燃料粒子)は時間の経過とともにプラズマの外に排出され、一部はプラズマを閉じ込める容器の壁で跳ね返って再びプラズマに戻ったり、また一部は真空ポンプによって容器の外に排出されたりします。本研究チームは、大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験において、強力な極低温真空ポンプをダイバータと呼ばれるシステム内で用いることで、プラズマに戻る水素を減らす実験をおこないました。

ダイバータと呼ばれるシステム内では、水素燃料などを引き込み、水素燃料を圧縮化しています。本研究チームは、プラズマを閉じ込める磁力線のかご(磁場配位)とダイバータ内の圧縮化の関係性を系統的に調べました。ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いない場合は、プラズマの密度が上昇し続け、密度を制御できずに最終的にプラズマが崩壊してしまいました。それに対し、ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いた場合は、プラズマの密度は一定に維持でき、プラズマの密度をうまくコントロールすることに成功しました。

次に、プラズマの磁気軸を内側にした磁場配位において、ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いて、プラズマ放電を行いました。ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いない場合は、プラズマの密度が上昇し続け、密度を制御できずに最終的にプラズマが崩壊してしまいました。それに対し、ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いた場合は、プラズマの密度は一定に維持でき、プラズマの密度をうまくコントロールすることに成功しました。また、プラズマ熱輸送解析(本研究で熱輸送解析プログラムを作成したことも大きな成果です)をしたところ、ダイバータ内の極低温真空ポンプを用いた場合にプラズマ中心でエネルギーの閉じ込めが良いことがわかりました。このように、ダイバータ内の極低温真空ポンプを活用することにより、水素燃料の制御を容易に、かつ安定的に行うための方法が確立されました。今後、核融合プラズマ定常維持に向けた研究がさらに進展すると期待されます。

本研究は、核融合科学研究所の本島厳らの研究グループによって進められ、この研究成果は、国際的な学術論文誌「フィジカ・スクリプタ」に2022年2月21日付けで掲載されました。

G. Motojima et al., “Particle control in long-pulse discharge using divertor pumping in LHD”, Physica Scripta 97 (2022) 035601.