(57)【要約】【課題】時間変化を考慮して、短時間から長時間に至るまで自由に核融合出力を変化させることができ、立ち上げ時間を長くすることで外部加熱パワーをおさえて自己点火に達するようにし、あわせて炉内の温度変化も少ない状態で安全な運転を行うことができるＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置およびその運転方法を提供することを課題とする。【解決手段】Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置１０は、超伝導ヘリカルコイル３およびブランケット２を備え、外部加熱パワーを加えてプレプログラム制御から連続するＰＩＤ制御により自己点火に到達するＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置において、前記プレプログラム制御から前記ＰＩＤ制御においてプラズマ運転密度をプラズマ密度限界値以下になるように設定すると共に、プラズマ運転密度をプラズマ密度限界値近づけると、前記ＰＩＤ制御から自己点火に到達する立上げ時間を１５秒以上に設定できる構成とした。【選択図】図１
2008190966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレ制御から連続するＰＩＤ制御を経て自己点火に到達するＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置において、
前記プレ制御のフェーズ内においてプラズマ運転密度よりもプラズマ密度限界値が大きくなるように設定し、かつそれらが次第に接近するように設定した後に、前記ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を１５秒以上に設定したことを特徴とするＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置。
【請求項２】
超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレ制御から連続するＰＩＤ制御を経て自己点火に到達するＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置において、
前記プレ制御のフェーズ内においてプラズマ運転密度よりもプラズマ密度限界値が大きくなるように設定し、かつそれらが次第に接近するように設定した後に、前記ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を７０秒以上に設定したことを特徴とするＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の当該装置が先進ステラレータ型核融合炉、または、前記超伝導コイルのコイル配置が異なるヘリカル型核融合炉であることを特徴とするＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置。
【請求項４】
超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレ制御から連続するＰＩＤ制御を経て自己点火に到達するＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法において、
予め設定された時間において外部加熱パワーを加えるプレ制御を行うフェーズと、
前記プレ制御の時間が経過した後にＰＩＤ制御を行うフェーズに大別し、
前記プレ制御のフェーズにおいては予めプラズマ密度限界値をプラズマ運転密度よりもどの程度大きくするかの設定を行い、
前記ＰＩＤ制御のフェーズでは、前記ＰＩＤ制御から所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を予め１５秒以上に設定して運転することを特徴とするＤーＴヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【請求項５】
超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレ制御から連続するＰＩＤ制御を経て自己点火に到達するＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法において、
予め設定された時間において外部加熱パワーを加えるプレ制御を行うフェーズと、
前記プレ制御の時間が経過した後にＰＩＤ制御を行うフェーズに大別し、
前記プレ制御のフェーズにおいては予めプラズマ密度限界値とプラズマ運転密度をどの程度近づけるかの設定を行い、
前記ＰＩＤ制御のフェーズでは、前記ＰＩＤ制御から所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を予め７０秒以上に設定して運転することを特徴とするＤーＴヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【請求項６】
前記プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させる設定の開始から終了までの手順を、プレ制御からＰＩＤ制御のフェーズにまたいで行うことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＤーＴヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【請求項７】
前記プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させる設定の開始から終了までの手順を、プレ制御側において行うことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＤーＴヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【請求項８】
前記プレ制御およびＰＩＤ制御のフェーズにおいて、須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則あるいは、前記須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則に同等なスケーリング則を用いることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載のＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【請求項９】
請求項４ないし請求項８に記載の運転方法で使用する当該装置が先進ステラレータ型核融合炉、または、前記超伝導コイルのコイル配置が異なるヘリカル型核融合炉であることを特徴とするＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短時間から長時間に至るまで核融合出力立ち上げ時間に何の制約もなく、また外部加熱パワーを抑えて自己点火に達するような運転を実現することができるＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置およびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気閉じ込めを利用した重水素とトリチウムを用いるＤ−Ｔ（Ｄ：重水素、Ｔ：トリチウム）型核融合発電装置には大別して、トカマク型核融合炉とヘリカル型核融合炉が知られている。なお、重水素とヘリウム３を用いるＤ−３Ｈｅ（Ｄ：重水素、３Ｈｅ：ヘリウム３）核融合炉も知られているが、Ｄ−Ｔ型の核融合炉の方が核融合反応を起しやすく、最初に実現されると考えられている。
また、トカマク型核融合炉（環状の磁場中にプラズマ電流を流して高温のプラズマを閉じ込める方式の核融合炉）では、プラズマ中に１０ＭＡ以上もの巨大なプラズマ電流を誘起してそれによって生じるヘリカル磁場によって閉じ込めを行うことになるが、ヘリカル型核融合炉では、外部に設置する超伝導ヘリカルコイルによって閉じ込め磁場を作るために、プラズマ電流を誘起する必要がない構成である。
【０００３】
したがって、ヘリカル型核融合炉は、トカマク型核融合炉で懸念されているようなプラズマ電流の急激な減少を伴うディスラプション現象による装置へのダメージが少なく、より安全であると考えられている。
前記したような各種の核融合炉において、ヘリカル型核融合炉は、トカマク型核融合炉よりはるかに安全である一方、トカマク型核融合炉に比してまだプラズマ温度が低く実現は困難と見なされてきた。しかしながらＤ−Ｔヘリカル型核融合炉を実現するために多くの提案がなされている。
【０００４】
提案されているモジュラーコイルを用いたＤ−Ｔヘリカル型核融合炉として、例えば、ドイツ、マックスプランク研究所のヘリアス炉がある。（例えば、非特許文献１参照）。このＤ−Ｔヘリカル型核融合炉は、装置パラメータが、主半径Ｒ＝１８ｍ、有効小半径ａ＝２ｍ、平均磁場強度Ｂo＝５Ｔで、ベータ値３．２％の第一安定化領域で運転することが想定されている。
【０００５】
また、超伝導ヘリカルコイルを用いたＤ−Ｔヘリカル型核融合炉にＦＦＨＲがある（例えば、非特許文献２参照）。このＤ−Ｔヘリカル型核融合炉は、ベータ値４％の第一安定化領域で運転し、装置パラメータが、主半径Ｒ＝１４ｍ、有効小半径ａ＝１．７３ｍ、磁場強度Ｂｏ＝５Ｔであるが、外部加熱パワーは１００ＭＷとして運転することが想定されている。
【０００６】
さらに、モジュラーコイルを用いたＤ−Ｔヘリカル型核融合炉に、例えば米国のＡＲＩＥＳコンパクトステラレータ炉がある（例えば、非特許文献３参照）。このＤ−Ｔヘリカル型核融合炉は、装置パラメータが、主半径Ｒ＝８．３ｍ、有効小半径ａ＝１．８５ｍ、磁場強度Ｂｏ＝５．３Ｔ、ベータ値４．１％、核融合出力２ＧＷとして運転するように想定されている。
【０００７】
【非特許文献１】Ａ．Ｓａｇａｒａ、Ｓ．Ｉｍａｇａｗａ、Ｏ．Ｍｉｔａｒａｉ  ｅｔ  ａｌ．、Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｌｏｎｇ-ｌｉｆｅ  ｂｌａｎｋｅｔ  ｃｏｎｃｅｐｔｓ  ｆｏｒ  ｈｅｌｉｃａｌ  ｒｅａｃｔｏｒｓ、Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ、４５（２００６）ｐ２５８。
【非特許文献２】Ｃ．Ｄ．Ｂｅｉｄｌｅｒ、ｅｔ  ａｌ、Ｔｈｅ  Ｈｅｌｉａｓ  Ｒｅａｃｔｏｒ  ＨＳＲ４／１８、Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ、４１（２００１）ｐ１７５９。
【非特許文献３】Ｆ．Ｎａｊｉｍａｂａｄ、Ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ｏｆ  ＡＲＩＥＳ  Ｃｏｍａｐｃｔ  Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ  Ｓｔｕｄｙ、ＵＳ／Ｊａｐａｎ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  ＰｌａｎｔＳｔｕｄｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｗｉｔｈ  ＥＵ  ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ、２４-２５  Ｊａｎｕａｒｙ、２００６。Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、ＵＳＡ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来提案されているヘリカル型核融合炉あるいはその運転方法には、以下のような解決すべき多くの問題があった。
【０００９】
（１）従来提案されているヘリカル型核融合炉の運転方法では、時間変化がもはやない定常状態について多くは研究されていたため、外部加熱パワーは与えられているものの、時間発展についての研究は十分に行われてなく、最適な外部加熱パワー、核融合出力立上げ時間の関係が不明で、そのために必要以上に大きい外部加熱パワーが使用され、運転維持費が高価となっていた。
（２）従来提案されているヘリカル型核融合炉の運転方法において、一般に観測されているプラズマ密度限界値や、そのマージン設定値についても研究されてなく、最適化は行われていない。そのため、運転維持費、電源設備、加熱装置の価格を下げることができなかった。
【００１０】
つまり、従来提案されているヘリカル型核融合炉の研究では、必ず定常状態に達するものと仮定しているため、具体的な運転状態について何ら示されておらず、その意味では実現性が程遠いもので、より詳細な検討が必要であった。
【００１１】
なお、従来提案されているヘリカル型核融合炉の運転方法では、時間変化が考慮された研究においても、核融合出力立上げ時において１００ＭＷ以上の大きな外部加熱パワーを印加し、短時間で安全に起動するという考え方が当然とされていた。
【００１２】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、短時間から長時間に至るまで核融合出力立ち上げ時間に何の制約もなく、また外部加熱パワーを抑えて自己点火に達するようにし、その結果、炉内機器の温度変化も少なくでき、安全な運転を行うことができるＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置およびその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記した課題を解決するため、本発明では、核融合科学研究所のＬＨＤ実験装置における最近の実験データや、今までの共同研究をさらに発展させた結果考え出されたものであり、核融合プラズマパラメータの時間発展を、大きな加熱パワーを使うことを常識としていた考え方を改めて、プラズマパラメータの時間発展の０次元粒子バランス方程式、パワーバランス方程式、閉じ込め時間には実験によって得られている経験則を用いて、計算機モデルを用いて解析することで、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の最適な外部加熱パワー、最適な立上げ時間を有する運転方法を見出した。
【００１４】
すなわち、本発明は前記した課題を解決するため、以下のような構成とした。
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置は、超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレプログラム制御（以下プレ制御と呼ぶ）から連続するＰＩＤ制御（［比例−積分−微分］制御）を用いて自己点火に到達する運転ができ、前記プレ制御のフェーズ内においてプラズマ運転密度よりもプラズマ密度限界値が大きくなるように設定し、かつそれらが次第に接近するように設定した後に、前記ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を１５秒以上に設定する構成である。
【００１５】
このように構成したＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置では、外部加熱パワーを例えば１００ＭＷの最大外部加熱パワーより２０％程度小さい８０ＭＷ以下の加熱パワーにより１５秒の短時間で立ち上げることができるため、装置性能の確認試験を短時間で行える利点を有する。
【００１６】
また、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置は、超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、外部加熱パワーを加えてプレ制御から連続するＰＩＤ制御を用いた自己点火に到達する運転において、前記プレ制御から前記ＰＩＤ制御のフェーズにおいてプラズマ運転密度よりもプラズマ密度限界値が大きくなるように設定し、かつそれらが次第に接近するように設定すると共に、前記ＰＩＤ制御により所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を７０秒以上に設定する構成とした。
【００１７】
このように構成した本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置では、外部加熱パワーを最小化でき、例えば３０ＭＷ以下で立ち上げることができるため、不必要に大きな外部加熱パワーを用いる必要もなく、かつゆっくりとした運転ができるために装置内機器の温度の急上昇を抑えることができるために、熱応力の影響を低減することができる。
【００１８】
なお、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置は、先進ステラレータ型核融合炉、または、前記超伝導コイルのコイル配置が異なるヘリカル型核融合炉であっても構わない。
【００１９】
また、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転法は、超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、プレプログラムによる外部加熱パワーを加えるプレ制御から連続するＰＩＤ制御による自己点火に到達する運転方法において、予め設定された時間において外部加熱パワーを加えるプレ制御を行うフェーズと、前記プレ制御の時間が経過した後にＰＩＤ制御を行うフェーズに大別する。前者のフェーズにおいては予めプラズマ密度限界値をプラズマ運転密度よりもどの程度大きくするかの設定を行い、後者のＰＩＤ制御のフェーズでは、前記ＰＩＤ制御により所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を予め１５秒以上に設定して運転する。
【００２０】
このように本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法では、トカマク型核融合炉と異なり、超伝導ヘリカルコイルによるポロイダル磁場が常に存在し、プラズマ電流による制限がないため、ＰＩＤ制御による所定の核融合出力を得る立上げ時間幅を１５秒の短時間から２時間以上の長時間に設定しても運転することができる。また、プラズマ密度限界値が、例えば、正味の加熱パワーの平方根に比例する実験結果を用いる場合、プラズマ密度限界値をプラズマ運転密度にできる限り接近させることによって、外部加熱パワーを低減して運転することができる。
【００２１】
また、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転法では、超伝導ヘリカルコイルおよびブランケットを備え、プレプログラムによる外部加熱パワーを加えるプレ制御から連続するＰＩＤ制御による自己点火に到達する運転方法において、予め設定された時間において外部加熱パワーを加えるプレ制御を行うフェーズと、前記プレ制御の時間が経過した後にＰＩＤ制御を行うフェーズに大別する。前記プレ制御のフェーズにおいては予めプラズマ密度限界値とプラズマ運転密度をどの程度近づけるかの設定を行い、前記ＰＩＤ制御のフェーズでは、前記ＰＩＤ制御から所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を予め７０秒以上に設定して運転する。
【００２２】
このようにＤ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法では、ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達する立上げ時間幅を７０秒以上にすることで、炉内部に設置しているブランケット温度をより均質に上げることができる結果、炉内部機器の熱応力を低減して運転することができる。なお、このときの外部加熱パワーは４０ＭＷ以下となる。
【００２３】
そして、前記したＤ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法において、プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させる設定の開始から終了までの手順を、プレ制御からＰＩＤ制御のフェーズにまたいで行うこととした。
このように設定したＤ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法では、ＰＩＤ制御のフェーズにおいてプラズマ密度限界マージンを長時間大きくとれるので、外部加熱パワーが大きくなり、その結果プラズマ内部に起こりうる不純物の一時的増加等の擾乱に対しても核融合立ち上げを確実に行える利点を有することになる。
【００２４】
また、前記したＤ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法において、前記プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させる設定の開始から終了までの手順を、プレ制御側において行うこととした。
このように設定したＤ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法では、ＰＩＤ制御のフェーズにおいてプラズマ密度限界マージンを小さくとれるので、より小さな外部加熱パワーで自己点火に到達でき、また短時間で所定の核融合出力まで到達できる。しかし、プラズマ内部に起こりうる不純物の一時的増加等の擾乱には弱くなる。
【００２５】
そして、前記したＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法では、前記プレ制御およびＰＩＤ制御のフェーズにおいて、須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則、あるいは前記須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則に同等なスケーリング則を用いることとした。
【００２６】
このように、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法では、前記起動時から核融合出力を予め設定された値に到達させ、かつ定常状態を維持するために行うＰＩＤ制御を、前記の適切なプラズマ密度限界スケーリング則と閉じ込めスケーリング則を用いて行うため、外部加熱パワーと核融合出力立ち上げ時間を自由に外部から設定でき、その結果、炉内部に設置しているブランケットの温度上昇時間を制御して運転することができる。
【００２７】
なお、本ＤーＴヘリカル型核融合発電装置の運転方法が使用される対象は、先進ステラレータ型核融合炉、または、前記超伝導コイルのコイル配置が異なるヘリカル型核融合炉であってもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係るＤ−Ｔヘリカル型核融合発電装置およびその運転方法は、以下に示す優れた効果を示すものである。
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置では、核融合出力立ち上げ時間幅を長くすることで外部加熱パワーを小さくできるので、運転維持費が安価となり、電源設備、加熱装置の価格を下げることができる。また、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置では、ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達するまでの立上げ時間幅を１５秒以上にすることができるため、装置性能の確認試験を短時間で行える長所を有する。特に、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置は、ＰＩＤ制御による所定の核融合出力に到達するまでの立上げ時間幅を７０秒以上に設定すれば、時間的制約なく何時間の長時間でも立ち上げることができると共に、外部加熱パワーも小さくすることができるので、立ち上げ時間を自由に設定できないために外部加熱パワーが大きくなるトカマク型核融合炉と比較して操作が容易となる。
【００２９】
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置の運転方法では、プラズマ密度限界値を低く設定し、ＰＩＤ制御による所定の核融合出力までの立上げに到達する立上げ時間幅を７０秒以上に設定すると、外部加熱パワーを最小化できるので、運転維持費が安価となり、電源設備、加熱装置の価格を下げることができ、社会的インパクトは大きい。
【００３０】
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法は、プレ制御およびＰＩＤ制御の計算式において須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込め則あるいは、前記須藤密度限界スケーリング則およびＩＳＳ９５閉じ込め則に同等なスケーリング則を用いることで、広い範囲のＤ−Ｔヘリカル型の核融合発電装置に適用することができる。
なお、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法は、先進ステラレータ型核融合炉、または、超伝導コイルのコイル配置が異なるヘリカル型核融合炉であっても、外部加熱パワーを最小化できるので、運転維持費が安価となり、電源設備、加熱装置の価格を下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の一部を切り欠いて全体を模式的に示す斜視図、図２は、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の断面状態を模式的に示す断面図である。
【００３２】
図１および図２に示すように、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置１０は、中心部の炉心プラズマ１から発生する中性子を熱に変換するために設置されるブランケット２、このブランケット２の外側にらせん状に巻き付くように設置される超伝導ヘリカルコイル３、この超伝導ヘリカルコイル３を覆うプラズマ真空容器４、このプラズマ真空容器４の筒形状の内周側および外周側に沿うように４箇所の位置において設置された超伝導ポロイダルコイル６、この超伝導ポロイダルコイル６およびプラズマ真空容器４を支持する電磁力支持構造体７、この電磁力支持構造体７、超伝導ポロイダルコイル６およびプラズマ真空容器４を覆う断熱真空容器５、外部加熱パワーを与える外部加熱パワー発生装置１１から構成される。
【００３３】
ブランケット２は中心部の炉心プラズマ１の周りに設置された部分で、炉心プラズマ中の核融合反応で発生した中性子をブランケット２に含まれるリチウムと反応させることによって核融合の燃料であるトリチウム(三重水素)を生産すると同時に、中性子の持つ運動エネルギを熱エネルギに換えるものである。
【００３４】
なお、核融合炉のブランケット２は、核融合炉から出る放射線を遮へいする役割も果たす。このブランケット２内において発生した熱エネルギが取り出されて発電に利用される。
【００３５】
超伝導ヘリカルコイル３は、金属である固体物質をある臨界温度以下に冷やして電気抵抗をなくし、一度電流を流すと電流が流れ続ける超伝導の性質を利用したもので、その固体物質をコイル状に巻いて電磁石として作られたものである。この超伝導ヘリカルコイル３は、電気抵抗による発熱がないので通常の電磁石より高い電流密度を持ち、その結果コイルをコンパクトに作ることができる。
【００３６】
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０は、中心部の炉心プラズマを取り囲むブランケット２の外側に設置する超伝導ヘリカルコイル３により、真空容器４内にねじれた閉じ込め磁場を作り，そこにプラズマを発生して閉じ込め、さらに全体を断熱真空容器５で覆い外部からの熱進入を防ぐ構造になっている。
また、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０は、超伝導ポロイダルコイル６で垂直磁場を作り、超伝導ヘリカルコイル３からの漏れ磁場を打ち消している。これらの超伝導コイルには大きな電磁力がかかるので、頑丈な電磁力支持構造体７によって支えられる。
さらに、外部加熱パワー発生装置１１には、電子サイクロトン加熱装置あるいは中性子粒子ビーム加熱装置が使用される。
【００３７】
このように本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０は、今まで提案されたものと基本的には同じ構造であるが、自己点火に達するための外部加熱パワー発生装置１１からの外部加熱パワーや、それに要する電力、核融合出力の立上げ運転方法が大幅に異なる。以下、核融合出力の立上げ運転方法についてシミュレーションにより説明する。
【００３８】
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０の磁場強度は６Ｔに設定するので、最大磁場は超伝導ヘリカルコイル３の主半径方向の内側で１３．３Ｔとなるため、臨界磁場よりも低く、コイルの製作に際して適切であることが分かる。そして、エネルギ変換のためのブランケット２を設置するための十分なスペースを確保できるように主半径を設定し、かつプラズマ閉じ込めをよくするためにプラズマ小半径もできる限り大きくしている。
【００３９】
また、ベータ値は、実験結果（ＬＨＤ実験装置における最近の実験データ）で確認された値の範囲に収まるようにしている。ここでは、ブランケット２を設置するための十分なスペースを確保できるように、一例として主半径は１４．０ｍとし、有効小半径を１．７３ｍとし、磁場強度を６Ｔとしている。なお、主半径とは、装置の中心軸からドーナツ状の真空容器内のプラズマ断面中心までの距離をいう。また、有効小半径とは、プラズマ中心からプラズマ境界までの平均の距離をいう。
【００４０】
このように構成された本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０は、図３に示すような手順で、コンピュータを用いてシミュレーションが行われる。図３は、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の運転方法のシミュレーションを行うフローチャートである。
【００４１】
なお、図４（ａ）、（ｂ）のそれぞれ上段に核融合出力の設定波形を取り、下段に時間軸を共有させてプラズマ密度限界マージンの設定波形を示す。
図４（ａ）には、プレ制御からＰＩＤ制御への切替までの設定時間を３０秒としたときに、その直前の２９．９秒（設定の開始）におけるプラズマ密度限界マージンを初期値とし、直線的に減少させてそれから７０秒後（計算のスタートから１００秒後）にプラズマ密度限界マージンが１．１になるように設定する運転方法を示している。
また、図４（ｂ）には、プレ制御からＰＩＤ制御への切替までの設定時間を３０秒としたときに、２３秒（設定の開始）の時点から２９秒（設定の終了）までに即ちプレ制御中にプラズマ密度限界マージンが１．１になるように設定する運転方法を示している。
【００４２】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマ密度限界マージンをＰＩＤ制御に入る前から減少させて１．１にすると、外部加熱パワーには影響を与えるが、核融合出力に対する影響は全くない。何故なら、核融合出力はそれとは独立に動作する燃料供給率においてフィードバック制御しているからである。
このことを前提として図５から図１０に、実際の運転に使用される数値を使用し、自己点火に至る過程と立上げ時間の関係、自己点火に至る過程とプラズマ密度限界の関係を明らかにすることで、外部加熱パワーを小さくできる運転方法を示す。
【００４３】
図５から図１０は、プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度の設定を図４（ａ）、（ｂ）のいずれかで行い、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０（図１参照）において、核融合出力をプレ制御およびＰＩＤ制御しながら運転する方法について、０次元粒子バランス方程式、エネルギバランス方程式（式１）、ＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則（式２）を用いてプラズマパラメータの時間変化をシミュレーション計算して得た結果である。なお、プラズマ密度，温度の分布が固定されたものを０次元粒子バランス方程式といい、ここでは中心がピークになる放物分布を用いている。この放物分布は時間がたっても変化しない。
【００４４】
また、前記した以外の方程式として、外部加熱パワーの式（式５）、電荷中性条件から求まる電子バランス方程式（式７）、Ｈｅ灰粒子密度比の方程式（式８）等、核融合出力のシミュレーションを行うときに使用される基本式を用いて、それぞれ求めたい値を算出する。さらに、パワーバランス方程式（式６）は、イオン温度Ｔｉと電子温度Ｔｅとが等しい（Ｔｉ＝Ｔｅ）として書き直した式を使用している。
【００４５】
なお、図５においては、核融合出力立上げ時間を１２０秒（核融合出力立上げ時間幅９０秒）に設定したシミュレーションの状態を一例として説明する。また、実際の閉じ込め時間はＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則に閉じ込め増倍度（γＩＳＳ９５＝１．９２）をかけて使用している。なお、式２で表されるＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則は、ヘリカル型装置及びステラレータ装置において実験的に確立された共通の経験則である。さらに、式１以降のすべての数式においては、同じ符号は、同じ意味で使用し、説明を省略する。
【００４６】
【数１】
2008190966.tif 000003
【００４７】
ただし、式１中において、
ｄＷ／ｄｔはプラズマエネルギの時間変化、
ＰＥＸＴは外部加熱パワー、
Ｐａｌｐｈａはアルファ粒子加熱パワー、
ＰＢは制動輻射損失パワー、
ＰＳはシンクロトロン輻射損失パワー、
ＰＬはプラズマコンダクション損失パワーである。
【００４８】
【数２】
2008190966.tif 000004
【００４９】
ただし、式２中において、
τＥ［ｓ］は閉じ込め時間、
γＩＳＳ９５はＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則の閉じ込め増倍度、
τＩＳＳ９５［ｓ］はＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則で与えられる閉じ込め時間、
ι２／３は有効小半径の２／３の場所での回転変換角度を２πで割ったもの、
ａはプラズマ有効小半径、
Ｒはプラズマ主半径、
Ｂ０は磁場強度、
n19は線平均電子密度で１０１９ｍ−３単位、
ＰＨＴは外部加熱パワーである。
【００５０】
なお、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０では、プラズマ密度限界値は次式の様に外部加熱パワーの平方根で表すことができる須藤密度限界スケーリング則（式３）を用い、図５から図１０においては、現在の実験において実際に達成されているプラズマ密度限界値１．５倍（密度限界係数γＳＵＤＯ）を採用する。従って、外部加熱パワーのフィードバック制御には式３の須藤密度限界スケーリング則を書き直して得られる下記の式５を用いる。
【００５１】
【数３】
2008190966.tif 000005
【００５２】
ただし、式３中において、
γｐｒはプラズマ密度分布係数、
γＤＬＭはプラズマ密度限界マージン（プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度の比、  ｎｌｉｍｉｔ（０）／ｎ（０））、
γＳＵＤＯは密度限界係数、
ｎ（０）はピーク電子密度、
ａは有効小半径、
Ｒは主半径、
Ｂｏは磁場強度である。
ここで、正味の加熱パワーは、以下の式４で示される。
【００５３】
【数４】
2008190966.tif 000006
【００５４】
ただし、式４中において、
ＰＥＸＴは外部加熱パワー、
Ｐａｌｐｈａはアルファ粒子加熱パワー、
ＰＢは制動輻射損失パワー、
ＰＳはシンクロトロン輻射損失パワーである。
【００５５】
【数５】
2008190966.tif 000007
【００５６】
ただし、式５中において、
Ｐａｌｐｈａはアルファ粒子加熱パワー、
ＰＢは制動輻射損失パワー、
ＰＳはシンクロトロン輻射損失パワーである。
【００５７】
【数６】
2008190966.tif 000008
【００５８】
ただし、式６中において、
αｎは密度分布係数、
αＴは温度分布係数、
ｆＤは重水素密度の電子密度に対する比、
ｆＴはトリチウム密度の電子密度に対する比、
ｆαはHe灰（アルファ粒子がエネルギを失い不純物になってしまったもの）密度の電子密度に対する比、
γｉはイオン温度と電子温度の比（Ti/Te）、
ｎｅは電子密度、
Ｐalphaはアルファ粒子加熱パワー、
ｆoは酸素不純物密度の電子密度に対する比である。
【００５９】
【数７】
2008190966.tif 000009
【００６０】
ただし、式７中において
τｐ＊は、重水素、トリチウム燃料粒子の有効閉じ込め時間、
τα＊はHe灰の有効粒子閉じ込め時間
ＳＤＴは、重水素、トリチウムの燃料供給率である。
【００６１】
【数８】
2008190966.tif 000010
【００６２】
ただし、式８中において
<σｖ(ｘ)>DTはDT核融合反応率の体積平均である。
【００６３】
また、核融合出力の制御は、式９の燃料供給率ＳＤＴ（ｔ）において核融合出力の偏差をフィードバック制御（ＰＩＤ［比例−積分−微分］制御）することによって行う。なお、ＰＩＤ制御とは、制御量が目標値から外れたときに、動作信号(制御量と目標値の差)に対して制御装置（図示せず）が応答する場合に、比例動作(Ｐ動作)、積分動作(Ｉ動作)、微分動作(Ｄ動作)を用いて行われることである。ここで、ＰＩＤ動作とは、Ｐ動作に、オフセットを除去する働きを持つＩ動作と振動を減衰する働きを持つＤ動作とを組み合わせたもので、安定かつ精度のよい制御が期待できる。
【００６４】
【数９】
2008190966.tif 000011
【００６５】
ただし、式９中において
ｅDT（Pｆ）は核融合出力の偏差で、ｅDT（Pｆ）＝１−Pｆ（ｔ）／Pｆ０（ｔ）で与えられる。
Pｆ（ｔ）は核融合出力、
Pｆ０（ｔ）は核融合出力の設定値、
SDT0は定数でSDT0=４ｘ１０２０ｍ-３ 
Gf0(t)はゲインで、２〜５の値、
Tintは積分時間で１０秒、
Tｄは微分時間で１秒とする。
【００６６】
フィードバック制御フェーズでの計算法の概略を説明する。はじめに設定した各パラメータ（例えば、装置パラメータ「ａ、Ｒ、Ｂ０」、γＳＵＤＯ、γｐｒ）の数値から、０次元パワーバランス方程式６により外部加熱パワーを印加したときの温度Ｔ（０）を計算し、同時に０次元粒子バランス方程式７から目指す核融合出力を得られる密度ｎ（０）を計算し、その値が得られるように燃料供給率でフィードバック制御し、次のステップで外部加熱パワーの式５に代入して外部加熱パワーを計算する。
【００６７】
そのとき、アルファ粒子加熱パワー、制動輻射パワー、シンクロトン輻射パワーを、算出した密度ｎ（０）および温度Ｔ（０）を用いて計算する。さらに、密度ｎ（０）および温度Ｔ（０）を計算しているときに、算出された外部加熱パワーを用いてプラズマ密度限界値を計算し、それを用いてプラズマ密度限界マージンγＤＬＭ＝ｎ（０）ｌｉｍｉｔ／ｎ（０）を計算し、そのプラズマ密度限界マージンが１．１以下にならないように外部加熱パワーを印加する。
【００６８】
ここでは、外部加熱パワーによりプラズマ密度限界値が上昇する須藤密度限界スケーリング則（式３）を用いて、プラズマ運転密度よりも常にプラズマ密度限界値が大きくなるように外部加熱パワーの値をフィードバック制御（式５）している。プラズマ密度限界マージンは［プラズマ密度限界値／プラズマ運転密度］であるから、プラズマ密度限界マージンを小さくするとプラズマ密度限界値をプラズマ運転密度に近づけることができ、外部加熱パワーを小さくすることができる。
【００６９】
図３の計算アルゴリズムのフローチャートと、核融合出力立ち上げ時間が１２０秒（核融合出力立ち上げ時間幅９０秒）の図５の計算結果を参照して、具体的な数値を使用した本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０の運転方法のシミュレーション結果を説明する。はじめに、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０の主半径、有効小半径、磁場強度、プラズマ密度、イオン温度、アルファ粒子密度、不純物密度の各値を入力する（Ｓ１：第１ステップ）。
【００７０】
本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉は、図１に示す構成において、主半径Ｒ＝１４．０ｍ、有効小半径ａ＝１．７３ｍ、磁場強度Ｂｏ＝６Ｔのパラメータとなるように設定されているものとして説明する。
また、このシミュレーションは、大きく分けてプレプログラム制御フェーズ（プレ制御フェーズ）（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７）とフィードバック制御フェーズ（ＰＩＤ制御フェーズ）（Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１）に分かれている。この境となる時間を第１設定時間とする。
【００７１】
また、図４（ａ）の運転方法において、第１設定時間から第４設定時間について詳しく説明する。
すなわち、プレプログラム制御フェーズが終わる第１設定時間（ここではスタートからｔ＝３０秒）の直前のｔ＝２９．９秒を第２設定時間とする。第１設定時間はプレプログラムにおいてその後のフィードバック（ＰＩＤ［比例―積分―微分］）制御（ＰＩＤ制御フェーズ）が行えるレベルまで核融合出力を持ち上げるのに要する時間である。第２設定時間はフィードバック制御に入る前にプラズマ密度限界マージンの値を保持するための時間で、その値を初期値として直線的に減少させる。第３設定時間はプラズマ密度限界マージンの減少するときの目標となる時間で、プラズマ密度限界マージンが「１」より大きな値（ここでは１．１）に設定されている、スタートからｔ＝１００秒の時間である。第４設定時間は、この第３設定時間経過後に核融合出力が所定の値に到達するように制御するために設定される時間である。（これを核融合出力立ち上げ時間と呼ぶ）。ここではスタートからｔ＝１２０秒で、それ以降は定常状態となる。
【００７２】
第２設定時間を第１設定時間よりも短くした理由は、核融合出力の立ち上げ時間を変化させても、プラズマ密度限界マージンのその後の減少のスタート地点になる初期値が変化しないようにするためである。これにより、Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉の立ち上げの運転方法のより的確なシミュレーションを行うことができる。
【００７３】
ステップＳ１でヘリカル核融合炉の装置パラメータの各値が入力されて、計算が開始されると、時間軸をＸ軸とし、プレプログラム制御による計算結果を、即ち第１設定時間内におけるプラズマ密度ｎ（０）［ｍ３］、プラズマ密度限界値ｎｌｉｍｉｔ（０）およびイオン温度Ｔｉ（０）［ｋｅＶ］のＹ軸値を図５-(a)に出力し、ヘリウム灰割合ｆａｌｐｈａおよび核融合出力Ｐｆ［ＧＷ］のＹ軸値を図５-(ｂ)に、プラズマ密度限界マージンｎｌｉｍｉｔ（０）／ｎ（０）およびプラズマエネルギＷｐ［ＭＪ］のＹ軸値を図５-(ｃ)に、外部加熱パワーＰＥＸＴ［ＭＷ］およびプラズマエネルギｄＷ／ｄｔ［ＭＷ］のＹ軸値を図５-（ｄ）に出力する。このプレプログラム制御フェーズにおいて、ステップＳ３において、密度、温度、不純物等のプラズマパラメータ、閉じ込め時間によるプラズマコンダクションロス、アルファ粒子加熱パワー、制動輻射パワー、シンクロトロン輻射パワーを計算する。さらに、ステップＳ３で、各式を適宜用いてプラズマ密度限界値およびプラズマ密度限界マージンを計算している。
【００７４】
第１設定時間３０秒後も同様に計算を続け、同様に図に出力し、２００秒まで計算を続ける。ここでグラフを作成するための各値は、シミュレーションを終了するまで随時出力される。つまり、ステップＳ３〜ステップＳ１１まで進みながら随時各値が出力される。
【００７５】
そして、第１設定時間である３０秒が経過するか否かを判定して（ステップＳ６）、３０秒が経過していない時には、その時間でのプレプログラム外部加熱パワーと、プレプログラム燃料供給率とを出力し（ステップ７Ｓ）、その値に基づいて、再度、ステップＳ２、ステップＳ３を３０秒に到達するまで繰り返す。
【００７６】
なお、３０秒が経過する前に、第２設定時間（２９．９秒）が経過したか否かを判定して（ステップＳ４）、そのときのプラズマ密度限界マージンを保持し、その後の直線的減少の初期値とし、第３設定時間（１００秒）にプラズマ密度限界マージン値が１．１になるように制御する（ステップＳ５）。つぎに、ステップＳ６において、３０秒が経過したと判定されると、ステップＳ３の計算結果に基づいて、フィードバック外部加熱パワーおよびフィードバック燃料供給率を計算し、プラズマ密度限界値の制御と核融合出力のＰＩＤ制御を行うようにする（ステップＳ８）。２９．９秒でのプラズマ密度限界マージンは３．１と大きいので、ＰＩＤ制御に入った瞬間に、外部加熱パワーはプレプログラム制御フェーズでの７０ＭＷよりも増大し１００ＭＷの最大値に達する。その後次第にプラズマ密度限界マージンが減少するので、同時に外部加熱パワーも減少していき、１００秒で０ＭＷとなり、自己点火に到達することがわかる、
【００７７】
さらに、第３設定時間（１００秒）が経過したか否かを判定して（ステップＳ９）、経過していればそれ以降はプラズマ密度限界マージンが１．１以下にならないように制御する（ステップＳ１０）。このステップＳ１０において、プラズマ密度限界マージンが１．１以下に下がらないように制御するが、アルファ粒子加熱のために正味の加熱パワーが増大する結果、外部加熱パワーは０で、かつプラズマ密度限界マージンも１．１以上になる。その後第４設定時間(核融合出力立ち上げ時間)に核融合出力が１．９ＧＷまで増大し、計算終了時間２００秒までに定常値に達するので（ステップＳ１１）、各値を定常値として出力しシミュレーションを終了する。なお、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０の定常値を図１３に示す。図１３では、パラメータ及び定常に達した時のプラズマパラメータを示し、プラズマ主半径を番号１としエネルギ増倍率（Ｐｅ／ＰＥＸＴ）を番号３９までとして定常値における各値を示している。また、図１３では、全ての値において、密度分布係数は１（放物分布）、温度分布係数は１（放物分布）である。核融合出力立ち上げ時間幅を変化させても定常値は変化しないので、図５から図１０までの定常値は同じである。
【００７８】
このシミュレーションにおいては、プレプログラム制御フェーズでの外部加熱パワーが７０ＭＷと大きいためにプラズマ密度限界マージンが次の図６および図７と比較して大きくなり、その結果、プラズマ密度限界値がプラズマ運転密度よりもかなり大きくなっていることがわかる。
【００７９】
また、同様のシミュレーションを図５と同じ第４設定時間１２０秒(核融合出力立ち上げ時間幅９０秒)に設定し、かつ外部加熱パワーのプレプログラム値を４０ＭＷに下げて計算した結果を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。その結果、プラズマ密度限界マージンがより小さくなり（図６（ｃ）のＭＤＮＬ参照）、プラズマ密度限界値が低下するので外部加熱パワーが５３ＭＷに低下することがわかる。図５（ｄ）と図６（ｄ）とを比較して分かるように立上げ時間幅が同じならプラズマエネルギの時間変化ｄＷ/ｄｔも同じになることがわかる。
【００８０】
なお、同様のシミュレーションを、第４設定時間を３００秒(核融合出力立ち上げ時間幅２７０秒)の場合と７２００秒（２時間）についても行っており、この場合における各値によるグラフをそれぞれ、図７（ａ）〜（ｄ）と図８（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００８１】
前記した図７に示すように、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０において、核融合出力の立上げ時間幅をより長い３００秒に設定した場合では、フィードバック外部加熱パワーは３２ＭＷにさらに減少している。しかし外部加熱パワーはＰＩＤ制御後に最大になることより、また図７（ｃ）のプラズマ密度限界マージンの時間変化からも、依然、外部加熱パワーはプラズマ密度限界マージンで支配されていることがわかる。図７（ｄ）に示すように、核融合出力の立上げ時間がより長くなったので、ｄＷ／ｄｔのプラズマエネルギの時間変化は小さくなることがわかる。
【００８２】
また、図８に示すように、本Ｄ−Ｔヘリカル型核融合炉１０において、核融合出力の立上げ時間を７２００秒（２時間）に設定した場合では、もはやプラズマ密度限界マージンの影響はなく、図８（ｄ）からわかるように、ｄＷ／ｄｔのプラズマエネルギの時間変化も図では見えないくらいに小さくなり、その結果、外部加熱パワーも２７ＭＷに減少することがわかる。これは式１で示すプラズマエネルギバランス方程式から理解することができる。即ち、この式１を書き直すと、外部加熱パワーは次式１０になる。
【００８３】
【数１０】
2008190966.tif 000012
【００８４】
従って、もし核融合出力の立上げ時間が無限に長い場合、ｄＷ／ｄｔはほぼ０となり、外部加熱パワーは、制動輻射損失パワー、プラズマコンダクション損失パワー、アルファ粒子加熱パワーのみで決まる。
一方、核融合出力の立上げ時間が短くなると、外部加熱パワーは、核融合出力の立上げ時間とともに変化するｄＷ／ｄｔのプラズマエネルギの時間変化分だけ余分に必要になる。即ち、核融合出力をゆっくり立上げると、プラズマエネルギはゆっくり変化するので外部加熱パワーは小さくなり、核融合出力を速く立上げると外部加熱パワーは大きくなる。
【００８５】
また、図９（ａ）〜（ｄ）には、図４（ｂ）で示すような運転を行った結果を示す。第２設定時間２３秒と第３設定時間２９秒をプレプログラ制御フェーズ中に終了し、核融合立ち上げフェーズにプラズマ密度限界マージンが常に１．１になるように設定し、かつ、核融合出力立上げ時間幅を１５秒に設定している。つまり、核融合出力はスタートから３０秒後に立ち上がり４５秒後に核融合出力の設定値に達する。その途中４２秒に外部加熱パワーが０になり自己点火に到達する。この図９（ａ）〜（ｄ）において、他の条件は、図５と同様である。
【００８６】
図９（ｄ）に示すように、外部加熱パワーのピークは、３０秒を超えてから８２ＭＷとなり、それ以降小さくなって自己点火に到達していることが分かる。つまり、非常に短い立ち上げ時間でもプラズマ密度限界マージンを小さく取れば、従来考えられていた１００ＭＷの外部加熱パワーよりも小さい値になり、外部加熱パワーを抑えて自己点火に到達できることが分かる。
【００８７】
また、図１０（ａ）〜（ｄ）は、核融合出力の立上げ時間を１２０秒（核融合出力立上げ時間幅は９０秒）に設定したときの外部加熱パワーのピークの状態を調べるために、６０秒までの各値を示しているグラフ図である。この図１０（ｄ）に示すように、外部加熱パワーは、３０秒を超えたところでピーク値３０．８ＭＷとなる。６０秒以降は、図５や図６と同様に単調に核融合出力は増大し１２０秒で設定値に到達する。
【００８８】
図１１は、本発明のＤ―Ｔヘリカル型核融合炉において、図５、図７、図８の計算結果をＰＯＰＣＯＮ（密度・温度の平面上に描かれた外部加熱パワーの等高線図）に描いた図である。図５、図７、図８の結果は、図１１に示す（Ｃ）、（Ｂ）、（Ａ）の運転軌跡にそれぞれ対応している。ＰＯＰＣＯＮの“Ｘ”で示した等高線の鞍点は外部加熱パワーの最小値を表しており、（Ｃ）の軌跡のように短時間に立上げる場合は鞍点から遠く離れ、加熱パワーの等高線の高い場所を通るので、大きな外部加熱パワーが必要なことがわかる。
【００８９】
加熱パワーを最小化し、鞍点Ｘの近くを通るためには、ゆっくりと核融合出力を増大させる必要がある。また、さらに鞍点Ｘ近くへの接近はプラズマ密度限界値によっても制限される。なお、最近のＬＨＤ実験結果ではすでに密度限界係数が１．８という結果が得られているのでここで用いた１．５は妥当な値である。また、図１１に示すように、最短時間で定常運転点に達する場合、運転軌跡は最短距離にはならずむしろ長くなり、時間をかけて運転点に達する方が運転軌跡の長さは短くなるという、従来の予想とは異なる基本的な性質があることも判明した。これはＰＯＰＣＯＮが現実の地図ではなく、相空間(フェーズスペース)であるためである。
【００９０】
図１２は本発明のＤ―Ｔヘリカル型核融合炉において、図４（ｂ）で示すような運転を行い、つまり、プラズマ密度限界マージンを小さく、プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させた場合におけるフィードバック制御フェーズ後の外部加熱パワーと核融合出力の立上げ時間の関係をプロットし、それらをつなぎ合わせた曲線図である。
核融合出力立上げ時間が４５秒（核融合出力立上げ時間幅１５秒）以上では外部加熱パワーは８０ＭＷ程度でよく、さらに、１００秒以上になると外部加熱パワーは３０ＭＷ程度でほぼ横ばいとなる。さらにゆっくりと立ち上げても外部加熱パワーは減少しなくなりほぼ一定となる。これより外部加熱パワー最小化のためには、４５秒（核融合出力立上げ時間幅は１５秒）以上で１００ＭＷ以下、１００秒（核融合出力立上げ時間幅は７０秒）以上で３０ＭＷ程度となり、１００秒（核融合出力立上げ時間幅は７０秒）が核融合出力立上げ時間のより良い設定の目安となる。ちなみに２０００秒以上では２７ＭＷとなる。
【００９１】
以上、説明したように、本Ｄ―Ｔヘリカル型核融合炉１０では、外部加熱パワーを１００ＭＷ以下、より好ましくは、３５ＭＷ以下で加え、立上げ時間を４５秒（立ち上げ時間幅１５秒）以上、さらには１００秒（立ち上げ時間幅７０秒）とすることが、小さな外部加熱パワーで、より速く立ち上がらせる方法であることが分かる。
【００９２】
なお、図５から図８では、プラズマ密度限界値とプラズマ運転密度を接近させた場合に、プラズマ密度限界マージンを１より大きい１．１としているが、一般的には１．１〜１．３の範囲あるいは１．０８程度であっても構わない。プラズマ密度限界値がプラズマ運転密度よりも高い場合が１．０以上になる。しかし、１．１を超えて大きくすれば外部加熱パワーは増大して、０になりにくく、従って自己点火しにくくなる。
【００９３】
また、プラズマ密度限界マージンを１．１に近づける設定の開始から終了までをプレ制御フェーズ内で行った場合の時間設定を２３秒〜２９．９秒として行ったが、これはプレ制御フェーズ内において行いさえすればよく、前記した秒数に限定されるものではない。
さらに、プラズマ密度限界マージンを１．１に近づける設定の開始から終了までの設定をプレ制御からＰＩＤ制御フェーズにまたがるように行った場合の時間設定についても、前記した秒数に限定されるものではない。
【００９４】
そして、プラズマ密度限界マージンを１．１に近づける設定の開始から終了までの設定をＰＩＤ制御フェーズ内で行っても構わない。ＰＩＤ制御フェーズ内で行った場合には、例えば、図５の状態において、プレ制御フェーズが３０秒までのとき、３秒後の３３秒から１００秒においてプラズマ密度限界値とプラズマ運転密度が１．１になるように設定することで運転が行われる。このとき、核融合出力の立上げ時間は、１００秒以上、さらには３００秒以上であることが好ましい。
【００９５】
プラズマ密度限界マージンを１．１に近づける設定の開始から終了までをプレ制御フェーズ内に行う運転方法、プレ制御からＰＩＤ制御フェーズにまたがって行う運転方法、ＰＩＤ制御フェーズ内のみで行う運転方法の３パターンがあるが、プレ制御フェーズ内で行う場合が外部加熱パワーが最も小さくなる。しかし、他の場合に比してプラズマ密度限界マージンが小さく余裕がないために、プラズマ内部に起こりうる不純物の一時的増加等の擾乱には弱い。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に係るヘリカル型核融合炉の一部を切り欠いて全体を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明に係るヘリカル型核融合炉の断面状態を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明に係るヘリカル型核融合炉のシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は、本発明に係るヘリカル型核融合炉のシミュレーションのプラズマ密度限界マージンの設定をプレ制御からＰＩＤ制御にまたいで行う運転法を示すグラフ図、（ｂ）は本発明に係るヘリカル型核融合炉のシミュレーションのプラズマ密度限界マージンの最終設定をプレ制御フェーズでのみ行う運転法を示すグラフ図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ａ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を１２０秒（核融合出力立上げ時間幅は９０秒）に設定した場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただしプレプログラム制御フェーズでの外部加熱パワーは最大７０ＭＷである。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ａ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を１２０秒（核融合出力立上げ時間幅は９０秒）に設定した場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただしプレプログラム制御フェーズでの外部加熱パワーは最大４０ＭＷである。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ａ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を３００秒（核融合出力立上げ時間幅は２７０秒）に設定した場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただしプレプログラム制御フェーズでの外部加熱パワーは最大２５ＭＷである。
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ａ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を７２００秒（２時間）に設定した場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただしプレプログラム制御フェーズでの外部加熱パワーは最大２５ＭＷである。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ｂ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を４５秒（核融合出力立上げ時間幅は１５秒）に設定した場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３で示すフローチャートに基づいて得られた各値に基づいて示したグラフであり、図４（ｂ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、核融合出力立上げ時間を１２０秒に設定（核融合出力立上げ時間幅は９０秒）した場合の６０秒までの状態を示すシミュレーション結果を示す各グラフ図である。
【図１１】図５、図７および図８で示した運転軌跡をＰＯＰＣＯＮ上に描いたグラフ図である。
【図１２】本発明に係るヘリカル型核融合炉のシミュレーションにおいて図４（ｂ）の運転法を用いて、プラズマ密度限界マージンを設定し、立上げ時間と外部加熱パワーの関係を描いたグラフ図である。
【図１３】シミュレーションにおいて密度分布係数１、温度分布係数１としたときのプラズマパラメータの定常状態での値を示す一覧表図である。
【符号の説明】
【００９７】
１        炉心プラズマ
２        ブランケット
３        超伝導ヘリカルコイル
４        プラズマ真空容器
５        断熱真空容器
６        超伝導ポロイダルコイル
７        電磁力支持構造
１０      ヘリカル型核融合炉（Ｄ−Ｔヘリカル型核融合発電装置）
１１      外部加熱パワー発生装置
【図２】
2008190966.tif 000013
【図３】
2008190966.tif 000014
【図４】
2008190966.tif 000015
【図５】
2008190966.tif 000016
【図６】
2008190966.tif 000017
【図７】
2008190966.tif 000018
【図８】
2008190966.tif 000019
【図９】
2008190966.tif 000020
【図１０】
2008190966.tif 000021
【図１２】
2008190966.tif 000022
【図１３】
2008190966.tif 000023
【図１】
2008190966.tif 000024
【図１１】
2008190966.tif 000025