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平成24年11月5日

高エネルギー粒子が加熱するプラズマの振る舞い −帯状流−

 

 

  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

 将来の核融合発電を実現するためには、プラズマを1億度以上に加熱して閉じ込める必要があります。大型ヘリカル装置(LHD)では、プラズマを加熱するために、プラズマ中のイオンや電子よりも大きなエネルギーを持った粒子ビームを外部から入射します。今回は、こうしたプラズマを加熱する高エネルギー粒子がプラズマに及ぼす影響、特に帯状流と呼ばれる流れを介したイオンの振る舞いに関する研究を紹介します。

 LHDでは、180kVに加速されて高いエネルギーを持った水素原子の粒子ビームをプラズマに入射して、プラズマを高温に加熱しています。入射された高エネルギー粒子がプラズマ中のイオンや電子と衝突を繰り返すうちに、自らの持つエネルギーを渡して、その結果、プラズマの温度が上昇するわけです。一方、将来の核融合発電所のプラズマでは、核融合反応で生成される高エネルギーのヘリウム粒子がプラズマを加熱して、高温プラズマを維持することになります。このように、高エネルギー粒子は、将来の核融合発電所の性能に大きな影響を与える重要な役割を担っていると考えられています。そのためLHDでは、高エネルギー粒子がプラズマを加熱する役割や、加熱されたイオンや電子の振る舞いについて詳しく調べています。
 最近のLHD実験において、ドーナツ形状のプラズマの円周方向(接線方向)に高エネルギー粒子を入射すると、ある周期で規則正しく行ったり来たりするプラズマの流れがドーナツの太さ周りの方向に発生することが明らかになりました。この流れが発生する領域は、ドーナツの太さの断面上では帯のように見えるため、この流れのことを帯状流と呼んでいます。
 さて、この帯状流が発生する時に、接線方向に入射した高エネルギー粒子の持つエネルギーの時間変化を測定したところ、エネルギーが減少するにつれて帯状流が発生することが分かりました。帯状流が高エネルギー粒子によって生成されることを示しており、LHDでこのことが初めて実証されました。計算機シミュレーションでも、この現象が再現されることが最近確認されました。さらに興味深いことに、この帯状流が発生している時に、通常予測されるよりも早い時間で、プラズマ中のイオンのエネルギーが増えることを示唆する観測が得られました。この結果は、高エネルギー粒子によって生成された帯状流により、プラズマ中のイオンの加熱が促進される可能性のあることを示しています。
 将来の核融合発電所では、核融合反応で発生した高エネルギー粒子がプラズマを加熱・維持するため、プラズマ内部における高エネルギー粒子からイオンへのエネルギーの流れについての理解を深めた今回の結果は、核融合発電所の性能を正確に予測するのに寄与するものです。今後、さらに研究を進める予定です。


以上