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平成26年10月6日
複雑に絡み合って熱を分散する -磁力線構造による周辺部の制御-
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
   

 プラズマは磁力線に垂直方向には自由に動けないのですが、磁力線に沿ってとても速く動くという性質があります。大型ヘリカル装置(LHD)をはじめとする磁場閉じ込め装置ではこのようなプラズマの性質を利用して、高温プラズマを壁から離して閉じ込める研究を行っています。一方で、高温プラズマを閉じ込めるのと同じくらい重要なことに、プラズマから出てくる熱を、温度を十分に下げて、できるだけ壁に均一に広く薄くのばして当てて、壁材料が熱で損傷するのを防ぐということがあります。さらには、壁から出てくる不純物ができるだけプラズマに入らないようにすることも大切です。こうした周辺部の制御にも磁力線が大きな役割を果たします。今回は、プラズマを取り囲む周辺部の磁力線構造を変化させて、周辺部のプラズマと壁との相互作用を制御する研究について紹介します。

 トカマク型という磁場閉じ込め装置では、ドーナツのような形をした無数の磁力線によりプラズマを閉じ込めています。そして、ドーナツをどの位置で切っても、そこに現れる磁力線構造の断面形状は、金太郎飴のように同じものとなっています。このような場合、プラズマは磁力線に沿ってとても速く動く性質があるため、同じ磁力線の上に乗っていれば、遠く離れた場所のプラズマでも、お互いにつながって、温度や圧力が同じになりやすくなります。このようなトカマク型の磁力線構造は、プラズマ中心部では全く問題にならないのですが、周辺部のプラズマでは、中心部から出てきた熱いプラズマが、磁力線に乗ってそのままの温度で壁に到達してしまうため、壁への熱負荷が大きくなり過ぎることが予測されています。そのため、将来の核融合発電所を考えたとき、重要な研究課題となっています。
 それに対してLHDのようなヘリカル型では、ドーナツを切る位置によってどんどん周辺部の磁力線構造や断面形状が変わっていきます。トカマク型に比べて磁力線構造が複雑ですが、その分自由に磁力線の形や長さを変えることができるため、周辺部のプラズマの制御には有利です。ヘリカル型の周辺部の磁場構造では、隣の磁力線同士が複雑に絡み合っているため、プラズマが磁力線をまたいで相互作用を起こしやすいということが、最近のLHDの研究でわかってきました。このような相互作用があると、同じ磁力線に乗っていても、遠く離れると温度や圧力などのプラズマの性質が段々と変わっていくため、熱負荷の分散も可能となります。
 現在、LHDだけではなくヘリカル型の磁力線構造を持った世界中の装置のデータを集めて、それらのプラズマの性質を調べています。その結果、次のようなことがわかってきました。

  1. 壁から出てきた不純物がプラズマに入りにくい傾向にあります。これは、周辺部の磁力線が複雑に絡み合っているため、幾重にもプラズマの周りをぐるぐると回って、壁から出てくる不純物のプラズマへの侵入をブロックしているようなイメージです。
  2. 磁力線をあちこちといろんな壁につなげることにより、熱が一ヶ所に集中するのを避けることができます。
  3. 周辺部の磁力線の形をいろいろと変えることにより、周辺部のプラズマをより安定に維持することが可能になります。その結果、周辺部のプラズマを十分に低い温度まで冷やすことができ、壁材料が損傷するのを防ぐことができます。
 ヘリカル型は、トカマク型に比べて、装置の構造が複雑になるという工学上の難しさがありますが、磁力線の形を自由に変えることができるというメリットがあります。今後、超伝導コイルや真空容器などの工学的な技術がますます進歩することにより、また、複雑な磁力線構造とプラズマの相互作用の理解が進むことにより、ヘリカル型は、将来の核融合発電所の設計に対して大きな優位性を示すことができるといえます。
トカマク型(左図)とヘリカル型(右図)の磁力線構造の模式図
磁力線構造として、その上に磁力線が並んで面を形成しているドーナツ状の磁気面をいくつか示している。そのため、その断面は年輪のように見える。トカマク型は周辺部も含めてどの断面も同じような形状で、壁材料への熱流が集中しやすい。一方、ヘリカル型は断面形状が位置により異なり、また、周辺部の磁力線は複雑に絡み合っているため、きれいな年輪のようには見えなくなる。そのため、熱流が隣の磁力線に移りやすく、壁材料への熱流を分散できる。

以上