研究最前線

これまでの実験で得られた成果

 将来の核融合発電炉の炉心プラズマには、燃料となる重水素と三重水素が核融合反応を起こすために、1億度以上のイオン温度と1ccあたり100兆個以上の密度が同時に求められます。LHDでは1998年3月31日のファーストプラズマ点火から今日に至る軽水素を用いた15年間の実験で、プラズマの性能をこの条件に近づけてきました。特に核融合炉に必要なもう一つの条件である「プラズマ持続時間」に関しては、1200万度という高温プラズマの1時間保持を達成し、ヘリカル方式の特長である定常運転を実証しました。イオン温度は中心密度10兆個/ccの水素プラズマでヘリカル方式では世界最高の8500万度を得ており、LHDの目標である1億2000万度の実現へと研究を積み重ねています。密度については、核融合に必要な条件の10倍以上となる1200兆個/ccを、300万度という低い温度ながら達成しました。これは、プラズマ電流による制約を受けるトカマクでは達成が極めて難しい値で、「ヘリカル系における低温・高密度プラズマによる自己点火へのアプローチ」という新たな運転領域を開拓しました。また、炉の経済性を左右する、プラズマ圧力と磁場の圧力の比(ベータ値)をヘリカル方式では世界で初めて5%以上に高めることに成功しました。下の表に、LHDでこれまで得られたプラズマ諸量の達成値を示します。


第16サイクル実験('12.Oct〜'12.Dec)

 第16サイクル実験は、期間中に約5100回のプラズマ放電を行い、高密度プラズマの効率的加熱法や長時間安定維持に関する研究が進展し、前ページの表に示した成果を上げることができました。

●高密度プラズマを過熱する新たな試み

 プラズマ中の電子は磁場中で回転運動(振動)をしています。この振動に同期した周波数の電磁波を入射すると、電子は電磁波からエネルギーをもらって温度が上がります(電磁波による加熱)ところがプラズマの密度が上昇すると、電子の振動が電磁波の振動を打ち消すようになるため、高密度のプラズマを加熱するためには、より高い周波数の電磁波が必要になってきます。
 第16サイクル実験では、これまで使用してきた77GHz(ギガヘルツ)に加えて、新たに開発した2倍の周波数(154GHz)を持つ発信管(ジャイロトン)が動き始めました。右図は77GHzと154GHzの電磁波を用いた加熱実験の結果です。154GHzでは77GHzの2倍近い140兆個/ccのプラズマを加熱できたことを示しています。

●高性能プラズマの長時間への挑戦

 第16サイクルでは、イオンサイクロトロン共鳴加熱(730kW)と電子サイクロトロン共鳴加熱(240kW)の計970kWの加熱パワーで、中心電子温度2800万度、中心電子密度9兆個/ccという高性能プラズマを約19分間保持することに成功しました。

●ダイバータの高性能化

 上述したプラズマの長時間保持には、周辺プラズマおよび中性粒子の効率的な制御が不可欠です。LHDでは現在ダイバータの閉構造化を進めています。  閉構造ダイバータ用機器 
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