研究最前線

LHD実験の最新成果

 将来の核融合炉の炉心となる高温プラズマでは、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求められています。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までの12年間の実験で、プラズマの性能をこの条件に近づけるとともに、核融合炉のもう一つの条件である定常運転では世界の先端を切っています。イオン温度は中心密度16兆個/ccの水素プラズマで6500万度にまで加熱することに成功しています。密度で言えば、条件の10倍以上となる中心密度1200兆個/ccを400万度という低い温度ながら達成し、核融合炉の製作が容易な温度の低い運転を可能とする革新的な設計に展望を拓いています。さらに定常運転に関しては、1200万度の温度を持つ高温プラズマを1時間保持し、ヘリカル方式の特長とする定常運転を実証しました。また、炉の経済性に決定的な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。これらの高性能プラズマを対象として、その精密な理解、新たには発見された物理機構の解明、法則化などによって、核融合炉の設計に必要な学理としての体系化を進めています。

●パラメータの達成値

 下のグラフはこれまでのLHDで生成されたプラズマの温度の年次変化です。核融合条件の目安はイオンの温度が1億度ですが、電子の温度もイオンの温度を支え、あるいは冷やさないために高いことが必要です。加熱装置の整備と新しい物理機構の発見が相まって向上してきています。


●第13サイクル実験('09.sep〜'09.Dec)

 第13サイクル実験では大きな成果が二つありました。一つは、電子の温度が1億7000万個に達する高温のプラズマを生成することに成功したこと、もう1つは、温度が上がるとともに燃料である水素以外の不純物が重いものほど、よりプラズマの外へ排出される法則を見出したことです。この二つをご説明しましょう。
 温度が上げるためには加熱電力を増やすことと、プラズマから熱が逃げないように断熱することの両方が必要です。プラズマは電子とイオンから成り立っており、それぞれに固有の性質を利用した加熱方法があります。電子を加熱する手段として77ギガヘルツの周波数をもつマイクロ波を発生するジャイロトロンと呼ばれる装置を用いました。ご家庭にある電子レンジもマイクロ波を使っていますが、この周波数は 2.45ギガヘルツです。強力なマイクロ波をプラズマに入射すると、磁場内の電子の回転運動と共鳴し、電子を加熱します。この加熱手段を、これまでの実験研究で明らかになったプラズマから熱が逃げにくい閉じ込め磁場に組み合わせることによって、図1にあるようにプラズマの中心の電子温度を1億7000万度にまで上げることに成功しました。
 これまでの実験で、温度の高いプラズマ中心部では、不純物として炭素の小粒を意図的にプラズマ中へ入射しても、イオン温度の上昇に伴って自動的に炭素が排出されるという現象を発見していました。第13サイクル実験では、炭素以外にヘリウムとネオンを注入することにより、この現象を詳細に調べました。その結果、重くなる、すなわち原子番号が大きくなるほど、この排除の効果が強まるという関係を見出しました。図2はヘリウム(原子番号2)、炭素(原子番号6)、ネオン(原子番号10)のプラズマ中での割合の分布を示したものです。ヘリカル方式の持つ優れた性質が確認され、プラズマの温度が高くなると、壁材料との相互作用が強まり不純物の混入が増加するにも関わらず、イオン温度が高い中心部のプラズマには影響しないことを実証できました。
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