2022年10月24日、量子科学技術研究開発機構(量研機構)らの研究チームは、核融合反応により発生した高速ヘリウムのプラズマ中への閉じ込めと、エネルギーを失うことで生成される低速ヘリウムの選択的な排出を両立できる条件を明らかにしたと発表した。前者は高速ヘリウムのプラズマ加熱への利用に、後者は低速ヘリウムによる核融合阻害の防止につながるため、この研究成果は、核融合炉の実現に向けたプラズマ制御方法の開発にとても重要な成果だ。では、この研究成果のすごいところを紹介したいと思う。
高速ヘリウム閉じ込めと低速ヘリウム選択的排出を両立できる条件とは？
この研究は、量研機構のほか、欧州の核融合研究機関コンソーシアムであるEUROfusionと東京大学との国際共同研究チームにより行われた。また、この研究成果は、欧州にある核融合実験装置JETにおいて生成されたプラズマの高速および低速ヘリウムの振る舞いの実験結果を、核融合専用スーパーコンピュータJFRS-1を用いて解析した結果から得られたものだという。
少し核融合反応についておさらいしておきたい。核融合反応の1つに、水素の仲間(同位体)である重水素(D)と三重水素(T)の原子核が融合するD-T反応がある。このD-T反応においては、ヘリウムと中性子が生成される。1回の核融合反応が起きても、その結果出てくるエネルギーが、次の核融合反応を起こすために他の原子核を1億度以上に加熱するのに使われなければ、核融合反応は連続的には起きない。そこで、D-T反応により発生するヘリウムが重要な役割を果たすのだ。
核融合反応により生成された高速ヘリウムは、燃料を加熱するため炉心に十分長く閉じ込められる必要がある。また、加熱に用いられた高速ヘリウムはエネルギーを失い、核融合反応を阻害する低速ヘリウムとなるため、炉心から速やかに排出される必要があるのだ。
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核融合炉において核融合反応で生成された高速ヘリウムの生涯過程(出典:量研機構)
そこで、ビアワーゲ・アンドレアス上席研究員を中心とする量研機構らの研究チームは、核融合プラズマの電流分布を適切に制御することで、高速ヘリウムに対する鋸歯状崩壊の影響を抑制できることを発見。 その結果、高速ヘリウムを十分閉じ込めることが可能となることがわかったのだ。
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トカマクプラズマにおける鋸歯状崩壊サイクル(出典:量研機構)
今回、トカマク(ドーナッツ形状をした核融合プラズマおよびその装置)で見られるように磁力線がドーナツ型の面を覆う時、高速ヘリウムの粒子軌道が磁力線と異なる事実に着目。シミュレーションでは自由に電流分布を変化させることが可能で、どのような分布を与えれば、高速ヘリウムが鋸歯状崩壊の影響を受けずに済むかを詳細に検討した。その結果、鋸歯状崩壊の存続期間において低速ヘリウムを排出するのと同時に高速ヘリウムを炉心に閉じ込める可能性を初めて示すことができたのだ。
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鋸歯状崩壊前後のヘリウム密度分布(出典:量研機構)
いかがだったろうか。とてもすごい研究成果だ。この研究は、核融合炉の実現に向けたプラズマ制御方法の開発にとても重要な役割を果たすことだろう。今後も高速ヘリウムと低速ヘリウムの蓄積や排出を制御する物理機構の解明を理論的に継続していくという。さらに、核融合反応を制御するための手法を拡大するためには、今回の研究成果のみならず、その他の手法を検討していくという。
