核融合実用炉でのプラズマ熱負荷の観測、予測法の開発
炉心プラズマに面する第一壁やダイバータでは熱負荷の集中や急増を検知するシステムの開発が求められています。しかし、実用炉では燃料となる三重水素の増殖のため、内壁の広い領域を観測出来る赤外線カメラの設置は認められません。金属ターゲットに埋め込まれた温度計のデータからプラズマ照射面の温度や熱負荷を逆算する解析法を拡張し、少数の測定チャンネルのデータで熱負荷の空間分布を再構成するための条件を検討しました。
核融合発電では、炉心プラズマを取り巻くブランケットで燃料の一つである三重水素を増殖する必要があるため、プラズマ計測用のポート数と大きさは極端に制限されることになります。現在のLHD等の核融合実験装置で広く使われている赤外線カメラ等を使って、装置内壁への熱負荷の集中や内壁表面の温度上昇をモニターすることはできないため、核融合炉の保全のためには別の方法を用意しなければなりません。代表的なものとして、容器内壁板の内部に熱電対を取り付けて温度をモニターする方法がありますが、ダイナミックな変動を伴う高温プラズマから熱流束の空間分布や時間変化を評価する方法が問題となっていました。
本研究チームは、プラズマ対向材内部に温度計を取り付け、プラズマ照射面に熱が流入したときに、熱伝導により異なる温度計測位置での温度の時間変化を計測し、熱伝導方程式の逆問題を解いて熱流の時間変化を評価する方法を提案してきました。プラズマから大きな熱流がある間は、温度計でモニターしている温度は上昇し、照射が終わると温度は下がりはじめます。このように観測している温度の時間変化は、プラズマ熱流束の時間変化より遅れます。温度計がプラズマ照射面から離れるにつれて、時間遅れは大きくなります。一定の熱流束が照射し続ける時の温度上昇は熱伝導方程式を用いて解析的に計算ができ、表面からの距離に対する1次元の温度応答関数が得られます。これまでの研究では、この応答関数を用いて、時間変化する実際のプラズマ熱流束の時間変化を評価する方法を確立しています。
今回の投稿論文では、装置内壁板の表面におけるプラズマ熱流束分布の効果を取り込めるように、温度応答関数を2次元に拡張した研究成果を報告しました。フーリエ分解と呼ばれる数学的手法を用いて、温度応答関数を2次元に拡張し、空間的、及び時間的に変化する熱流束分布を異なる位置の温度計測データから、再構成する方法を提案しました。
この方法を用いて、LHDのダイバータタイルの熱負荷計測の再現を試みました。LHDではダイバータトレースと呼ばれる2本の線状に熱負荷が集中し、プラズマの条件によってそのピークの高さや広がりが変化することが赤外線カメラの画像から観測されています。タイル上の少数点の温度データを選び、これを仮想的な温度計のデータとみなし、上に述べた2次元温度応答関数で温度分布の再構成を試みました。その結果、赤外線カメラの画像から観測される2本の線状構造を計測するための条件を見出すことができました。
今回の成果は、実際の核融合燃焼炉の安全な運転に欠かせない計測器の設計にとても重要な貢献をするものです。精度の高い計測システムを導入することにより、過大な熱負荷が印加された場合にも、埋め込み温度計と温度応答関数を用いた解析により、プラズマ照射面のダメージの大小を定量的に評価できます。さらに、核融合炉におけるプラズマ熱負荷をモニターし、精度の高い制御を実現するために重要な成果となっています。
本研究は、大阪府立大学工学研究科の松浦寛人、当時博士後期課程学生のBui Xuan Nhat Son、核融合科学研究所の増﨑 貴らの研究グループとの協力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「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2024年3月21日付けで掲載されました。