403秒！中国が「人工太陽」で新たな躍進！制御された核融合までどれくらい遠いのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 王騰 (中国科学院合肥物理科学研究所プラズマ物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

中国の「人工太陽」EASTは2023年4月12日夜、高閉じ込め動作モード（Hモード）プラズマの定常動作403秒に成功し、2017年に101秒の定常Hモードプラズマを達成した後、Hモード動作時間の最長記録を樹立した。

Hモードプラズマとは何ですか?何がポイントですか? EAST科学研究チームのメンバーが教えてくれます。

（写真提供：新華社通信）

制御核融合研究の要点

核融合反応を起こすには、重水素と三重水素の原子核を非常に小さな核力に圧縮する必要があります。しかし、原子核は正に帯電しているため、それらの間のクーロン障壁を克服するのに十分なエネルギーを得るには、原子核を極めて高い温度にする必要があります。温度が約1億度に達すると、核融合反応を起こす重水素と三重水素の原子核の断面積が最大になります。しかし、このような高温プラズマを閉じ込めることができる実体のある容器は存在しません。 EAST に代表されるトカマク装置は、円形の螺旋磁場を使用して高温プラズマを閉じ込め、制御された核融合反応を実現します。

トカマク装置の磁場構成

（画像提供：プラズマ物理研究所）

したがって、制御核融合研究の鍵は、まずプラズマの温度（T）と密度（n）を可能な限り高めて、単位体積と単位時間あたりの核融合反応効率を向上させることです。 2つ目は、高温高密度プラズマを限られた空間内に十分長い時間閉じ込めることでエネルギー損失を遅くし、核融合反応の効率をさらに向上させることです。この閉じ込め性能は一般にエネルギー閉じ込め時間（ τ****E ）によって測定されます。

核融合反応を実現するための3つの要素

（画像提供：プラズマ物理研究所）

ローソン基準によれば、3 つの生成物の融合のみが有効な核融合出力を生み出すことができます。従来の状況では、H モードプラズマのエネルギー閉じ込め時間は約 2 倍に増加し、それに応じてプラズマの温度と密度も増加し、核融合三重積が大幅に改善されます。そのため、国際熱核融合実験炉 (ITER) では、H モードのエネルギー閉じ込め時間の校正を原子炉設計の基礎として使用しています。

高制約動作モードの発見と特徴

トカマクプラズマの平衡構成は、プラズマの抵抗加熱も行うトロイダル誘導電流によって維持される必要があります。初期のトカマク装置は、動作モードを制限するために主に抵抗加熱に依存していました。しかし、理論的および実験的研究により、非常に強力な磁石（20テスラ以上）を開発しない限り、抵抗加熱のみに頼って核融合点火条件を達成することは不可能であることが示されています。

核融合点火にはプラズマエネルギーのさらなる向上が必要です。高エネルギー中性粒子ビームと無線周波数波を補助加熱に使用できます。総加熱電力は一般に、抵抗加熱電力よりも数倍高くなります。しかし、実験により、特定の動作条件下では、加熱電力の増加とともにエネルギー制約時間が減少することが判明しました。この制約動作モードは、低制約動作モード (L モード) と呼ばれます。原子炉をLモードエネルギー制約時間較正に従って設計し、運用する場合、装置が非常に大きくなり、実装が困難になり、経済的実現可能性の観点から受け入れられなくなります。

1982年、ドイツの物理学者フリードリヒ・ワーグナーは、ASDEXトカマク装置で偶然Hモードを発見しました。これは、高出力加熱下でのエネルギー閉じ込め時間が、基本的に以前の低閉じ込め状態の2倍になるというものです。この極めて重要な出来事は、当時の制御核融合コミュニティにとって大きな励みとなりました。そのニュースがアメリカに届くと、興奮してテーブルの上に飛び乗る人もいた。

同じ加熱電力で、H モードプラズマの密度とポロイダル圧力の垂直成分は、L モードの約 2 倍に上昇します。

(写真提供: Tokamaks)

高閉じ込め動作モードでは、補助加熱電力が注入されると、プラズマの密度とエネルギー貯蔵が時間とともに増加し、水素（重水素）アルファ線放射信号が減少します。同時に、プラズマ境界では、密度と温度の勾配が急峻な階段状の構造を示し、境界でのα線放射信号に強いスパイク振動が伴います。 H モードのこれらの重要な特徴は、プラズマから壁に失われる粒子数と電力が減少し、結果としてプラズマの閉じ込め性能が向上することを示しています。

ASDEX によって測定された LH 遷移の前後の 5 つの異なる時間における密度の半径分布の変化は、H モードに明らかな密度分布のステップ形成があることを示しています。

(写真提供: Tokamaks)

成果の裏には運営チームの根幹の力がある

H モードの形成に必要な条件は、補助加熱電力が閾値電力と呼ばれる特定の臨界値よりも大きくなければならないことです。この閾値電力は、デバイスのパラメータと動作状態、およびプラズマのパラメータと品質に密接に関連しています。

まず第一に、H モードの実現には、プラズマ内の不純物 (つまり、水素以外の物質) の制御に対する高い要求が課せられます。 EAST の完全な真空システムと壁処理技術がこれを保証します。装置壁の長期放電洗浄により、装置壁に衝突した後の境界粒子の再循環率が非常に低いレベルまで低下し、スパッタされた不純物が最小限に抑えられ、プラズマが純粋に保たれます。同時に、EAST の高度なプラズマ制御技術を活用することで、プラズマと容器壁およびその他のコンポーネントとの相互作用が最小限に抑えられ、不純物の増加がさらに抑制されます。

EAST 真空および壁処理システム

（画像提供：プラズマ物理研究所）

第二に、同じ実験条件下では、プラズマ密度が増加すると、閾値電力は最初は減少し、その後増加する傾向を示します。したがって、H モードを達成するために必要な補助加熱電力が最小限になる最適な密度があり、これは長パルス定常 H モードの実現に重要です。この目標に焦点を当て、EAST 運用チームは理論分析と実験研究を組み合わせて、安全な範囲内での最適なパラメータ範囲とデバイス動作機能を見つけました。同時に、プラズマ密度を適切に制御することも、目標を達成するための重要な条件となります。

EAST は 403 秒間の定常 H モードプラズマを達成しました。上から下へ：密度、H係数とエネルギー貯蔵、比圧、加熱出力、ダイバータ温度の低下

（画像提供：プラズマ物理研究所）

さらに、EAST の補助加熱システムの長パルス動作能力、精密な電磁気測定とプラズマ制御、高度なプラズマ診断などの多くの技術が強力な保証を提供します。 403秒間の定常Hモードプラズマの実現は、EAST運用チームの総合的なレベルと効率的な能力を十分に実証していることがわかります。

EAST補助暖房システム

（画像提供：プラズマ物理研究所）

記録を樹立することは未来を創ること

Hモードによる核融合エネルギーの開発は、原子炉設備の規模とコストを効果的に削減することができます。 ITER が L モードのエネルギー閉じ込め時間の較正に従って設計された場合、装置は非常に大きくなり、推定コストは約 100 億米ドルになります。しかし、後にHモードエネルギー閉じ込め時間較正がITERの設計に採用され、その他の改良により装置サイズは大幅に縮小され、建設コストは50億ユーロにまで削減されました。

EASTデバイス

（画像提供：プラズマ物理研究所）

EAST 装置における 403 秒の H モードプラズマの達成は、今後 5 年間にわたってそのトップレベルを維持し、高閉じ込め定常動作の実現可能性をさらに検証することになります。同時に、より長い時間スケールでHモードの背後にある物理的メカニズムに関する詳細な研究を実施し、Hモード下でのプラズマ閉じ込め性能に対する高エネルギー粒子の影響を研究し、境界局在モードを軽減および制御し、関連する理論モデルを検証および開発するために必要な条件も提供します。高閉じ込め定常運転の探究と関連する科学的問題の効果的な解決により、核融合エネルギーの開発はさらに加速され、核融合エネルギーによる最初の光が早期に実現されるでしょう。

参考文献:

[1] ジョン・ウェッソン著『トカマク』（第4版）、オックスフォード大学出版局、2011年。

[2] 秦雲文、「トカマク実験の物理的基礎」、原子力出版社、2011年。

[3] 董佳奇、トカマク高閉じ込め運転モードと磁気閉じ込め制御核融合[J]、物理学、2010、39（06）：400-405。

[4] 石炳仁、「トカマク物理学の基礎」、浙江大学核融合理論・シミュレーションセンター（特別講義）、2007年。

[5] フリードリヒ・ワグナー他「アズデックストカマクの中性粒子ビーム加熱ダイバータ放電における閉じ込め改善と高ベータの領域」Physical Review Letters、1982年、49(19):1408-1412。

[6] EASTが初めて100秒オーダーの定常高閉じ込めモードプラズマを実現（プラズマ物理研究所）

[7] 劉文斌、EAST実験運用報告書（20230413）、プラズマ物理研究所