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平成25年1月21日

プラズマを閉じ込める磁力線の「カゴ」の形を調べる

 

 

  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

 将来の核融合エネルギー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生成する必要があります。そのために、プラズマが容器の壁に直接触れて冷やされないよう、磁石の力を利用してドーナツ状の「カゴ」をつくり、そこにプラズマを宙に浮かした状態で閉じ込めます。ところが、このカゴはプラズマの温度や圧力が上がると変形し、場合によってはプラズマの閉じ込め性能に影響を及ぼします。今回は、大型ヘリカル装置(LHD)で行われている磁力線のカゴの形とプラズマ状態によるその変化を調べる研究を紹介します。

 磁石からは磁力線と呼ばれる、目に見えない磁気の力を発する線が出ています。磁力線は、小学校の理科の実験で行ったように、砂鉄の上に棒磁石をおいてやるとN極とS極に出入りする線として見ることができます。LHDでは、らせん状の形をした巨大な電磁石(ヘリカルコイル)によって磁力線を作り出します。そして、この磁力線によってらせん状の「カゴ」を作り、そこにプラズマを閉じ込め、常に外側へ広がろうとする高温度のプラズマをこの「カゴ」により押しとどめています。一方、プラズマは電子とイオンという電気を帯びた粒子でできているため、プラズマ自身の動きにより磁場が発生します。プラズマの温度や圧力が高くなるとこの磁場も大きくなって、自身を閉じ込めている磁力線のカゴを変形させるようになり、場合によっては「カゴ」を壊してしまいます。そのため、プラズマを閉じ込める磁力線のカゴの形が、プラズマの状態によってどのように変化するのか、どのような場合に壊れてしまうのかを研究することは、将来の核融合発電の実現へ向けてとても重要です。
 ところが、磁力線のカゴは目で見てその形を確認することができません。そこでLHDでは、カゴから漏れ出てくるプラズマの動きを観測することにより、カゴの形がどう変化したか、あるいはカゴに綻びが生じていないかを調べています。磁力線のカゴには、プラズマが閉じ込められている磁力線が「閉じた」領域と、その外側に磁力線が真空容器の一部に到達する「開いた」領域があります。プラズマ中の電子とイオンはそれぞれマイナスとプラスの電気を持っていますが、その数は同程度なため、プラズマが閉じ込められている「閉じた」領域では、電気的にはほぼ中性に保たれています。一方、電子はイオンに比べて軽いので、非常に早いスピードで動くことから、カゴの「開いた」領域では電子が先に逃げ出し、その結果、電気的なバランスが崩れます。電気的なバランスが崩れた状態を表す指標に電場がありますが、この電場の大きさを測定することにより、カゴの閉じた領域と開いた領域の境界の位置を推測することができ、境界の位置の変化から、目に見えないカゴの変形を考察することができます。
 この方法を用いることにより、LHDではプラズマの圧力の上昇とともにカゴが変形することが実験的に明らかになり、理論予測とも対応する結果が得られました。また、変形の程度が単なる形のゆがみではなく、場合によってはカゴに綻びが生じて縮むことがあることも明らかになりました。今後は、どのような場合にカゴの変形が少なくなるかをさらに調べて、より効率よく高温度・高圧力のプラズマが閉じ込められるよう研究を進めます。


以上