2021年6月16日 ⎮ 研究成果 異なる不純物を同時にプラズマ中に入射する新たな手法を開発
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複数の不純物をプラズマに入射するために、これまでのトレーサー内蔵固体ペレットでは、それぞれの元素の粒をプラスチックの球の中に入れていました。今回開発した手法では、複数の不純物元素からなる化合物をプラスチックの球の中に入れています。これにより、複数の不純物をプラズマに入射するだけなく、これまで不可能であった原子番号の小さい不純物もトレーサー内蔵固体ペレットとして、プラズマ中に入射できるようになりました。
不純物を高温プラズマ中の調べたい場所にピンポイントで入射するための技術、トレーサー内蔵固体ペレット(TESPEL)において、従来とは全く異なる、複数の不純物を入射する手法を考案し、その原理実証実験を行った結果、その有効性を確かめることができました。この成果は、核融合プラズマ中に存在する不純物を制御するための研究を大きく進展させます。

核融合発電の実現に向けた重要な研究課題の一つに、高温プラズマ中に混入した不純物の制御があります。不純物は、高温プラズマに混入したのち、プラズマ化して不純物イオンとなります。不純物イオンは、プラズマのエネルギーを吸収して、そのエネルギーの一部を光として放出する性質を持つため、不純物イオンが混入すると、プラズマの温度が下がってしまいます。したがって、核融合反応を持続させるためには、プラズマの温度を高いままにしておく必要があるので、高温プラズマ中の不純物の量をできるだけ少なくするように制御する必要があります。

高温プラズマ中の不純物の量をできるだけ少なくする制御手法確立のためには、高温プラズマ中で、不純物がどのように振る舞うのかを明らかにする必要があります。本研究グループでは、この目的ために、不純物を高温プラズマ中の調べたい場所にピンポイントで入射するための技術、トレーサー内蔵固体ペレット(以下、TESPEL)を開発してきました。

本研究グループでは、これまでに様々な種類のTESPELを開発してきました。その中には、複数の不純物を同時にプラズマに入射できるものもありました。これは、TESPELの中に、入射したい不純物元素のそれぞれの粒(その典型的な大きさは、直径0.1 mmから0.2 mm程度)を入れていました。今回開発した新しいTESPELでは、入射したい複数の不純物元素からなる化合物をプラスチックの球の中に入れています。これにより、複数の不純物をプラズマに同時に入射するだけなく、常温で気体であることからこれまで十分な量を封入することが不可能であった原子番号の小さい不純物(例えば、窒素や酸素など)もトレーサー内蔵固体ペレットとして、プラズマ中に入射することが可能になります。

新しく開発したTESPELにより、高温プラズマ中のそれぞれの不純物の振る舞いを正確に調べることができるかどうか調べるための検証実験を行ったところ、それぞれの不純物の振る舞いを正確に調べられることが分かりました。実際の高温プラズマ中の不純物の振る舞いに関する研究に用いるためには、入射したい複数の不純物元素からなる化合物を十分な量入れることのできるプラスチックの球を開発する必要がありますが、これについては、現在、開発の目処が立っています。現在、原子番号に対する依存性から不純物の振る舞いを支配している物理機構を見いだす研究が世界各国で進められていますが、今回の成果により、この研究が加速度的に進展することが期待されます。

本研究は、科学研究費助成事業・基盤研究(B)「複合トレーサー内蔵ペレットを用いた不純物蓄積回避スキームにおけるロバスト性の検証」(19H01881)の支援を受け、核融合科学研究所の田村直樹、吉沼幹朗、居田克巳らの研究グループと中国・南華大学のXianghui Yinとの協力によって進められ、この研究成果は,N. Tamura et al., "A new multi-tracer injection pellet injection for a simultaneous study of low- and mid/high-Z impurities in high-temperature plasmas", Rev. Sci. Instrum9216 (2021) 063516.として、米国物理学協会の学術論文誌「レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ」に2021年6月16日付けで掲載されました。

【用語解説】
  • トレーサー内蔵固体ペレット:不純物を高温プラズマ中の調べたい場所にピンポイントで入射するために、核融合科学研究所で開発された不純物ペレット(小粒)の一種。外側が水素と炭素のみで構成されるポリスチレン樹脂、内側がプラズマ中に入射される不純物で構成される、二重構造をしている。
  • 詳しくは、 「不純物をピンポイントで注入する -トレーサー内蔵固体ペレット-」をご覧ください。