米国エネルギー省 (DOE) のプリンストン プラズマ物理研究所 (PPPL) の研究者らは、核融合として知られるプロセスで発電するためにプラズマを管理するさまざまな方法を開発するという継続的な研究の中で、2 つの古いプラズマがどのように発生するかを示しました。メソッドを組み合わせて柔軟性を高めることができます。
電子サイクロトロン電流駆動 (ECCD) と共鳴磁気摂動の適用 (RMP) として知られる 2 つの方法は長年研究されてきましたが、研究者らがこれらを組み合わせてプラズマ制御を強化する方法をシミュレーションしたのは今回が初めてです。
「これは一種の新しいアイデアです」と、PPPLのスタッフ研究物理学者であり、2006年に出版された新しい論文の主著者であるQiming Hu氏は述べた。 核融合 この作業については実験的にも実証されています。 「完全な機能はまだ解明されていませんが、私たちの論文は潜在的な利点についての理解を進める上で素晴らしい役割を果たしています。」
最終的に科学者たちは、核融合を利用して発電することを望んでいます。まず、エッジ局在モード（ELM）として知られるプラズマからの粒子のバーストを最小限に抑える方法を完成させるなど、いくつかのハードルを克服する必要がある。
「定期的に、このバーストは多すぎるため、少しプレッシャーを解放します。しかし、これらのバーストは危険な可能性があります」とゼネラル・アトミックス社が主催するDOEユーザー施設であるDIII-D国立核融合施設のPPPLで働く胡氏は語った。 DIII-D はトカマク、磁場を使用して核融合プラズマをドーナツ状に閉じ込める装置です。 ELM は核融合反応を終わらせ、トカマクに損傷を与える可能性があるため、研究者はこれを回避するためのさまざまな方法を開発してきました。
「我々が発見した、それらを回避する最善の方法は、追加の磁場を生成する共鳴磁気摂動（RMP）を適用することです」と、論文の共著者の一人であるPPPL主席研究物理学者のアレッサンドロ・ボルトロン氏は述べた。
磁場が島を生成し、マイクロ波が島を調整する
トカマクによって最初に加えられた磁場は、トーラス型プラズマの周囲に、遠方 (外縁の周り) と、外縁から中央の穴を通る近距離 (近距離) の両方で巻き付けられます。 RMP によって生成された追加の磁場はプラズマ中を伝わり、下水道の縫い目のように入り込んだり出たりします。これらの磁場は、プラズマ内に磁気島と呼ばれる楕円形または円形の磁場を生成します。
「通常、プラズマ内の島は本当にひどいものです。島が大きすぎると、プラズマ自体が混乱する可能性があります。」
しかし、研究者たちは、特定の条件下では島が有益である可能性があることを実験的にすでに知っていました。難しいのは、アイランドを生成するのに十分な大きさの RMP を生成することです。ここで、基本的にはマイクロ波ビーム注入である ECCD が登場します。研究者らは、プラズマの端に ECCD を追加すると、アイランドの作成に必要な RMP の生成に必要な電流量が低下することを発見しました。
マイクロ波ビームの入射により、研究者らはプラズマエッジの安定性を最大限に高めるためのアイランドのサイズを完璧にすることもできました。比喩的に言えば、RMP はアイランドをオンにする単純な照明スイッチのように機能しますが、ECCD は研究者がアイランドを扱いやすいプラズマの理想的なサイズに調整できる追加の調光スイッチのように機能します。
「私たちのシミュレーションは、プレー中の相互作用についての理解をさらに深めます」と胡氏は語った。 「プラズマ中の電流と同じ方向に ECCD を加えると、アイランドの幅が減少し、ペデスタルの圧力が増加しました。 ECCDを逆方向に適用すると、アイランドの幅が増加し、ペデスタルの圧力が低下したり、アイランドが開きやすくなったりするという、逆の結果が生じました。」
コアではなくエッジの ECCD
この研究は、ECCDが通常使用されるプラズマの中心ではなく、プラズマの端に追加されたことでも注目に値します。
「通常、人々は、マイクロ波が容器内のコンポーネントを損傷する可能性があるため、プラズマエッジに局所的なECCDを適用することは危険であると考えています」とHu氏は述べた。 「私たちはそれが実行可能であることを示し、アプローチの柔軟性を実証しました。これにより、将来のデバイスの設計に新たな道が開かれる可能性があります。」
このシミュレーション作業は、RMP の生成に必要な電流量を低減することで、最終的には将来の商業規模の核融合装置における核融合エネルギー生成コストの削減につながる可能性があります。