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平成24年2月13日

コアプラズマの熱・粒子輸送の研究 ―プラズマから熱が逃げる原因を調べる―

 

 

  大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
 

核融合科学研究所

 本年度の大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験で行われた研究内容を紹介しています。今回は、温度や密度の高い中心部(コア)のプラズマからどのような仕組みで熱や粒子が逃げるのか、その原因を調べているコアプラズマの熱・粒子輸送に関する研究を紹介します。

 将来の核融合発電を実現するためには、1億度を超える高温度のプラズマを閉じ込めなければなりません。そのため、高温高密度の中心部(コア)のプラズマから熱や粒子が逃げるのを如何にして抑えるか、が重要な課題となります。プラズマ中のイオンや電子は磁力線に巻きついて運動するため、磁力線を幾層にも重ね合わせた「カゴ」を作ってプラズマを閉じ込めることが行われています。LHDではこの磁力線のカゴを超伝導の電磁石でドーナツ状に作り、これによって超高温のプラズマを閉じ込めています。しかし、このような磁場に閉じ込められた超高温のプラズマには、大小さまざまな「揺らぎ(ゆらぎ)」と呼ばれる渦のような乱れた波が発生し、これらが原因となって、プラズマコアの熱を吐き出してしまうことがあります。熱や粒子などがある場所からある場所に移ることを「輸送」といいますが、コアプラズマの熱・粒子輸送の研究では、この異常な熱の吐き出しが生ずるような輸送の特性と乱れた波との関係を調べています。
 波と波の間隔が短い乱れた波(短波長の波)が熱を逃がすことは従来から知られていますが、LHDの場合、この細かい波によりプラズマの熱は中心から端へ0.1秒程度かけてゆっくりと運ばれます。ところが20年程前に、プラズマ中心での変化が通常の100倍以上の速さで端まで伝わる現象が他の装置で報告され、その原因が大きな謎になっていました。プラズマの速い変化は多くの熱や粒子を逃がしてしまうため、その原因の究明が世界中で精力的に調べられています。こうした中、LHDでは、プラズマの中心から端までを全体として扱うことのできる新しい解析法を考案して調べたところ、プラズマの中心と端とをつなぐような間隔の長い乱れた波(長波長の波)が発生している事を世界で初めて発見しました。そして、この長い波が細かい波と相互作用していることも突き止め、プラズマから熱が逃げる仕組みを解明するにあたって非常に大きな成果となりました。またLHDでは、ドーナツ状プラズマの断面の円周方向(ドーナツの太さ周り)に、帯状流と呼ばれる層状のプラズマの流れが観測されています。この流れは、熱や粒子の輸送を引き起こす乱れた波の大きさを決定する役割を担っていると理論的に考えられているため、その検証を実験で進めています。
 今回の発見により、今後、長短さまざまな乱れた波やプラズマの流れが相互に関係したプラズマの研究が進み、波による熱の吐き出しやプラズマの変動の伝搬といった問題をより正確に予測できるようになると期待されます。


以上