(57)【要約】【課題】低温・高密度領域で運転するＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法およびその制御装置を提供する。【解決手段】ＤＴ磁気閉じ込め（ヘリカル、トカマク）型核融合発電装置１０において、低温・高密度領域の自己点火運転は、通常は熱的に不安定なために平衡点周りで安定化する制御方法がとられるが、核融合出力の偏差を用いて制御する燃料供給においてその制御係数の符号を正（＋１）から負（-１）に反転することで安定に制御できるようにした制御方法であり、また、この制御方法はより小型の先進閉じ込めＤＴヘリカル型核融合炉や、コイル配位の異なるＤＴヘリカル型炉、あるいはトカマク炉の低温・高密度領域における自己点火運転においても使用可能である。 【選択図】図４Ｂ
2009139153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部加熱パワーおよびＤＴ燃料をプレ制御して供給し、かつ、核融合炉の核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力の値をＰｆとし、制御係数をｃとして、ｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）の演算で算出される値を用いて前記ＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバック制御するＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法において、
前記プレ制御の後における予め設定された設定時間から、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を正から負の値に変換して、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法。
【請求項２】
外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法において、
外部加熱パワー発生装置が炉心プラズマに供給する前記外部加熱パワーを、予め設定した値となるように当該外部加熱パワーのプレ制御を行うと共に、ＤＴ燃料供給装置が前記炉心プラズマに供給する前記ＤＴ燃料を、予め設定した値となるように当該ＤＴ燃料のプレ制御を行う第１ステップと、
前記外部加熱パワーのプレ制御および前記ＤＴ燃料のプレ制御を行う時間が予め設定された第１設定時間を経過した時に、前記外部加熱パワー発生装置からの外部加熱パワーを、炉心プラズマのプラズマ密度の値とプラズマ密度限界値とにより演算される外部加熱パワーの値に基づいて所定の時間で０とするようにフィードバック制御を行うと共に、前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料の供給を、前記核融合炉の核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいて、設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御を行う第２ステップと、を含み、
前記第２ステップにおいて、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達した後に、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を、正から負の値に変換して、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法。
【請求項３】
外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法において、
外部加熱パワー発生装置が炉心プラズマに供給する前記外部加熱パワーを、予め設定した値となるように外部加熱パワーのプレ制御を行うと共に、ＤＴ燃料供給装置が前記炉心プラズマに供給する前記ＤＴ燃料を、予め設定した値となるようにＤＴ燃料のプレ制御を行う第１ステップと、
前記外部加熱パワーのプレ制御を引き続き行うと共に、前記ＤＴ燃料のプレ制御を行う時間が予め設定された第１設定時間を経過した時に、前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料の供給を、前記核融合炉の核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいて、設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御を行う第２ステップと、を含み、
前記第２ステップにおいて、前記外部加熱パワーを炉心プラズマに供給する値を予め設定された時間で０とするように段階的に減少させ、かつ、
当該第２ステップにおいて、前記プレ制御時における核融合出力の設定値を、核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いて、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法。
【請求項４】
運転時に使用されるプラズマ密度分布を箱形分布とし、プラズマ密度分布およびプラズマ温度分布を固定して演算するパワーバランス方程式で前記プラズマ密度分布が箱型分布で使用される係数を予め算出して求め、かつ、前記外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法において、
外部加熱パワー発生装置が炉心プラズマに供給する前記外部加熱パワーを、予め設定した値となるように外部加熱パワーのプレ制御を行うと共に、ＤＴ燃料供給装置が前記炉心プラズマに供給する前記ＤＴ燃料を、予め設定した値となるように前記ＤＴ燃料のプレ制御を行う第１ステップと、
前記外部加熱パワーのプレ制御を引き続き行うと共に、前記ＤＴ燃料のプレ制御を行う時間が予め設定された第１設定時間を経過した時に、予め設定されたプラズマ密度の設定値と、前記炉心プラズマから検出されたプラズマ運転密度の値との偏差に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料による前記核融合炉のプラズマ密度を、前記プラズマ密度の設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御する第２ステップと、
前記第２ステップを行う設定時間が経過した後に、前記外部加熱パワーを炉心プラズマに供給する値を予め設定された時間で０とするように段階的に減少させる前記外部加熱パワーのプレ制御を行うと共に、前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料の供給を、前記核融合炉の核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいて、当該設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御を行う第３ステップと、を含み、
前記第３ステップにおいて、前記プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を、核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いて、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法。
【請求項５】
外部加熱パワー発生装置およびＤＴ燃料供給装置に対して予め設定されたプレ制御およびＰＩＤフィードバック制御を行い熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に到達させるＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、
前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック制御において、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いて、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように当該ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置。
【請求項６】
外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、
前記核融合炉の核融合出力に用いられる予め定められた数式に対する変数を入力する入力手段と、
この入力手段により入力された変数の各値に基づいて、外部加熱パワー発生装置が供給する外部加熱パワーを、予め設定した値となるようにプレ制御する外部加熱パワープレ制御手段と、
前記入力手段により入力された変数の各値に基づいて前記ＤＴ燃料供給装置が供給するＤＴ燃料を、予め設定した値にプレ制御するＤＴ燃料プレ制御手段と、
前記外部加熱パワー制御手段によるプレ制御の後に、前記炉心プラズマから検出されたプラズマ密度の値とプラズマ密度限界値とにより演算される外部加熱パワーの値に基づいて、前記外部加熱パワー発生装置からの外部加熱パワーを、所定の時間で０とするようにフィードバック制御する外部加熱パワーフィードバック制御手段と、
前記ＤＴ燃料プレ制御手段によるプレ制御の後に、前記核融合炉から検出された核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置が供給するＤＴ燃料を、当該設定値となるようにＰＩＤフィードバック制御するＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、
前記ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段は、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達した後に、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を正から負の値に変換して、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置。
【請求項７】
外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、
前記核融合炉の核融合出力に用いられる予め定められた数式に対する変数を入力する入力手段と、
この入力手段により入力された変数の各値に基づいて前記外部加熱パワー発生装置が供給する外部加熱パワーを、予め設定した値となるようにプレ制御すると共に、予め設定された時間で前記外部加熱パワーを０とするようにプレ制御する外部加熱パワープレ制御手段と、
前記入力手段により入力された変数の各値に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置が供給するＤＴ燃料を、予め設定した値となるようにプレ制御するＤＴ燃料プレ制御手段と、
このＤＴ燃料プレ制御手段によるプレ制御の後に、前記核融合出力において検出された核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置が供給するＤＴ燃料を、当該設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御するＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、
前記ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段は、前記プレ制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いて、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を状態するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置。
【請求項８】
運転時に使用されるプラズマ密度分布を箱形分布とし、プラズマ密度分布およびプラズマ温度分布を固定して演算するパワーバランス方程式で前記プラズマ密度分布が箱型分布で使用される係数を予め算出して求め、かつ、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を供給して核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、
前記核融合炉の核融合出力に用いられる予め定められた数式に対する変数を入力する入力手段と、
この入力手段により入力された変数の各値に基づいて前記外部加熱パワー発生装置から供給される外部加熱パワーを、予め設定した値となるようにプレ制御すると共に、予め設定された時間で前記外部加熱パワーを０とするようにプレ制御する外部加熱パワープレ制御手段と、
前記入力手段により入力された変数の各値に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置が供給するＤＴ燃料を、予め設定した値になるようにプレ制御するＤＴ燃料プレ制御手段と、
このＤＴ燃料プレ制御手段によるプレ制御の後に、予め設定されたプラズマ密度の設定値と炉心プラズマから検出されたプラズマ運転密度の値との偏差に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料による前記核融合炉のプラズマ密度を、当該プラズマ密度の設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御するＤＴ燃料密度ＰＩＤ制御手段と、
このＤＴ燃料密度ＰＩＤ制御手段によるプラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御の後に、前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料の供給を、前記核融合出力の設定値と前記核融合出力において検出された核融合出力の値との偏差に基づいて、当該設定値になるようにＰＩＤフィードバック制御するＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、
前記ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段は、前記プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が超えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いて、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うことを特徴とするＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置。
【請求項９】
前記核融合出力おいて検出される各値と、前記外部加熱パワー発生装置から供給される外部加熱パワーの値と、前記ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料の供給量と、を表示装置に出力する出力手段を備えることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＴヘリカル型核融合発電装置、ＤＴトカマク型核融合発電装置等の磁気閉じ込め型であるＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法およびその制御装置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、以下、ＤＴと示す）磁気閉じ込め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ある。
【０００３】
これらの装置はいずれも図１に示されたような、通常は熱的に安定である高温・低密度の自己点火領域において運転することを想定している。しかしながら、以下のようにヘリカル装置で低温・高密度領域が実験的に達成された結果、通常は図１に示されたような、熱的に不安定である低温・高密度の自己点火領域における運転制御法の必要性が認識されるに至った。
【０００４】
ここで高温・低密度の自己点火領域とは、図１の自己点火領域の「底」より右側にある実線で示した高温側の境界線のことであり、運転点がその境界線上にある場合、それは熱的に安定である。すなわち、プラズマのパラメータが変動しても常にその境界線上に戻ってくる。一方、低温・高密度の自己点火領域とは、図１の自己点火領域の「底」より左側にある点線で示した低温側の境界線のことであり、運転点がその境界線上にある場合、それは熱的に不安定である。したがって、プラズマのパラメータが変動するとその境界線上から離れていき、もはや自己点火運転は不可能となる。ここで自己点火運転とは外部から加熱パワーを入れなくても、燃料さえ注入すれば自分自身で核融合反応が持続することをいう。
【０００５】
低温・高密度領域が実験的に観測された第１の例は、ドイツのマックスプランク研究所のベンデルシュタインステラレータ装置のプラズマ閉じ込め実験においてであり、２００２年に温度４００ｅＶ、線平均密度４ｘ１０２０ｍ−３程度の低温・高密度領域が実験的に得られた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
第２の例には、日本の核融合科学研究所のＬＨＤ実験装置において、２００６年に８５０ｅＶ、４．５ｘ１０２０ｍ−３の低温・高密度領域が実験的に達成された。（例えば、非特許文献２参照）。さらに１０ｘ１０２０ｍ−３の高密度もすでに実現されている。このような高密度はトカマクにおいては達成されたことがなく、ヘリカル装置特有の現象であり、その利点を活かせる低温・高密度の自己点火領域の運転制御法の確立が緊急の課題となってきた。
【０００７】
低温・高密度領域の自己点火運転の有利な点を以下に述べる。(図２０も参照)
（１）高密度で運転するために、同じ核融合出力に対して閉じ込め時間が長く、また制動輻射損失パワーも大きく、プラズマ外周から漏れ出すエネルギーが小さくなる結果、ダイバータ熱流束が減少し、ダイバータ板の損傷を軽減できる。
（２）密度が高いために、閉じ込め時間が長いので、必要な閉じ込め増倍を低減させることができ、ＤＴヘリカル炉に対する無理なパラメータを要求する必要がなくなる。
（３）低温度で運転するために、イオン温度が高くなると閉じ込めが劣化するとされている新古典論による悪影響を心配する必要が減る。
（４）低温度で運転するために、ＤＴ燃料を供給するアイスペレットの入射が高温度で運転する場合に比べてより容易である。
しかしながら、プラズマベータ値がわずかに増大することは欠点である。
【０００８】
一方，トカマクを用いたＤＴ型核融合炉には多くの設計例があるが，中でも現在世界各国の共同研究によって建設されつつあるＩＴＥＲトカマク型ＤＴ核融合実験炉が有名である（例えば、非特許文献３参照）。現在トカマク装置においては低温・高密度運転の実験データはないが今後の実験の進展に伴い、そのような運転領域の出現の可能性は十分に考えられる。特に、高温・低密度運転を行うトカマク型ＤＴ核融合装置ではダイバータ板への熱流束が大きく、それを低減するためにプラズマに不純物を注入するなどして輻射損失を増やすことが考えられている。しかし、そのような条件が実際の炉において実現できるかどうかは不明である。将来トカマクにおいても低温・高密度運転が可能になれば同じ核融合出力に対して閉じ込め時間が長く、また制動輻射損失パワーも大きく、プラズマ外周から漏れ出すエネルギーが小さくなる結果、ダイバータ熱流束が減少し、ダイバータ板の損傷を軽減できる。このようにトカマクにおいても低温・高密度運転は長所の一つとなる。
【０００９】
【非特許文献１】Ｋ.ＭｃＣｏｒｍｉｃ、ｅｔ  ａｌ、Ｎｅｗ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｇｉｍｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｗ７−ＡＳ  Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８９（２００２）０１５００１−１。
【非特許文献２】Ｎ．Ｏｈｙａｂｕ、Ｔ．Ｍｏｒｉｓａｋｉ、ｅｔ  ａｌ、Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｔａｂｌｅ  Ｓｕｐｅｒｄｅｎｓｅ  Ｃｏｒｅ  Ｐｌａｓｍａｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｌａｒｇｅ  Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９７（２００６）０５５００２−１。
【非特許文献３】ＩＴＥＲ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂａｓｉｓ  Ｅｄｉｔｏｒｓ  ｅｔ  ａｌ．、ＩＴＥＲ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂａｓｉｓ、Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ、  Ｖｏｌ．３９  （１９９９）ｐ２１３７。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来提案されているトカマク型核融合炉、ヘリカル型核融合炉における熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法には、以下のような解決すべき多くの問題があった。
【００１１】
（１）従来提案されている熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法はトカマク核融合装置においては研究されていたが、ヘリカル型核融合炉の場合にはその運転方法は全く研究されたことがなかった。
（２）従来提案されている熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法は、０次元粒子バランス方程式、０次元パワーバランス方程式を平衡点のまわりで線形化し、それを基にその周辺でＰＩＤフィードバック制御以外の方法で制御しようとするものであった。
（３）従来提案されている熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法は、定常的な運転点に達した後にどのように制御すればよいかというもので、その定常運転点にどのようにしてたどり着くかという研究はなされていなかった。
（４）従来提案されている熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法は、複雑な０次元粒子バランス方程式、０次元パワーバランス方程式を平衡点のまわりで線形化しなければならないので煩雑であり、それが実際の核融合炉において使用可能かどうかは不明であった。
【００１２】
つまり、ヘリカル型核融合炉における熱的に不安定である低温・高密度領域における運転方法では具体的方法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あった。またトカマク型核融合炉においても定常運転点にどのようにしてたどり着くかという具体的方法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あった。
【００１３】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、ＤＴ磁気閉じ込め（へリカル、トカマク）型核融合発電装置において、熱的に不安定である低温・高密度領域における自己点火運転点に到達すると共に、同時にその不安定点において定常状態を維持することができるＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法およびその制御装置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】
【００１４】
前記した課題を解決するため、本発明は、核融合科学研究所のＬＨＤ実験装置において得られた最近の実験データを基に、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表す０次元粒子バランス方程式、パワーバランス方程式を平衡点周りに線形化するという従来の思想を改めて、全く線形化することなく、また今までに使用してきたＰＩＤフィードバック制御の係数を正から負の値に設定することのみで、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、ＤＴ磁気閉じ込め（へリカル、トカマク）型核融合発電装置の熱的に不安定である低温・高密度の領域における自己点火運転を安定に制御する制御方法および制御装置を見出した。
【００１５】
すなわち、本発明は前記した課題を解決するため、以下のようにＤＴヘリカル型核融合発電装置の制御方法を考え、以下の手順とした。
請求項１に記載の発明は、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料をプレ制御して供給し、かつ、核融合炉の核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力の値をＰｆとし、制御係数をｃとして、ｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）の演算で算出される値を用いて前記ＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバック制御するＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法において、前記プレ制御の後における予め設定された設定時間から、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を正から負の値に変換することによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うこととした。
【００１６】
このようなＤＴヘリカル型核融合発電装置の制御方法によれば、はじめに外部加熱パワーを加えて所定の核融合出力の値が出力された後に行うＤＴ燃料供給のＰＩＤフィードバック制御において、ＤＴ燃料の燃料供給率を演算する場合に算出する核融合出力の偏差における制御係数を正（＋１）から負（−１）の値に変換した状態として制御している。すなわち、制御係数を正から負の値にしてＤＴ燃料供給のＰＩＤフィードバック制御を行うと、核融合出力の値が核融合出力の設定値を超えたときにＤＴ燃料が供給され、その結果プラズマ温度が下がりプラズマ密度は上昇することになる。そうなると、自己点火領域の外側にはみ出してしまう結果、今度は核融合出力の値が核融合出力の設定値を下回り、ＤＴ燃料の供給が減少するかストップし、その結果、プラズマ温度が上がり、プラズマ密度が減少する方向に運転点が移動し、自己点火領域の中に入る。プラズマ温度が上がりプラズマ密度が下がり、かつ自己点火領域の中に入ると再び核融合出力の値が核融合出力の設定値を超え、ＤＴ燃料が供給され、プラズマ温度が下がりプラズマ密度が上昇する方向に運転点は移動する。このように、図１に示すように、横軸にプラズマ温度を取り、縦軸にプラズマ密度を取って示す運転点を表すと（図８、図９（ａ）、図１１参照）、その運転点がイグニッション境界線（図９（ａ）参照）近傍で左回り旋回を繰り返しながら、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達する。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法は、外部加熱パワーを外部加熱プレ制御を行うと共に、ＤＴ燃料を燃料プレ制御を行う第１ステップと、外部加熱パワーを所定の時間で０とするようにフィードバック制御を行うと共に、前記ＤＴ燃料をＰＩＤフィードバック制御する第２ステップと、を含み、前記第２ステップにおいて、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達した後に、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を、正から負の値に変換することによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行うこととした。
【００１８】
このような手順により、当該制御方法では、第１ステップにおいて、外部加熱パワーを外部加熱プレ制御して設定された値の外部加熱パワーを供給すると共に、ＤＴ燃料供給を燃料プレ制御により、予め設定した値においてＤＴ燃料を供給し、所定の核融合出力を第１設定時間内に得るようにしている。そして、当該制御方法では、第１設定時間において核融合出力が所定の値に達したら、第２ステップとして外部加熱パワーをフィードバック制御により、所定時間内に０となるようにして、かつ、ＤＴ燃料をＰＩＤフィードバック制御により、核融合出力を熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達するまで制御する。なお、第１ステップでは、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、フィードバック制御を行い、このフィードバック制御を行う場合には、第１ステップにおいて出力されるプラズマ密度限界マージンの値が、予め設定した値（例えば、１．１）以上になるようにしている。そして、当該装置の制御方法では、核融合出力の値が熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達した後に、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、出力核融合出力の設定値と核融合出力の値との偏差を用いて演算するときに制御係数ｃを正（＋１）から負（−１）の値にしている。そのため、当該装置の制御方法では、急激に密度が上昇し、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域から、運転点が一定核融合出力線を移動し、縦軸をプラズマ密度、横軸がプラズマ温度としてＰＯＰＣＯＮ図上で示すと、イグニッション境界線近傍を設定核融合出力線における運転点に向かって左旋回して、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達し、その点を維持した状態とする安定な運転ができる。
【００１９】
さらに、請求項３に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法は、第１ステップが前記した制御と同じ内容で行い、第２ステップを行う場合に、外部加熱パワーのプレ制御が、前記外部加熱パワーを炉心プラズマに加える値を予め設定された時間で０とするように段階的に減少させている。そして、第２ステップにおいて、プレ制御時における核融合出力の設定値を、核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差で演算に使用する制御係数に負の値を用いることによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するような制御を行わせる。
【００２０】
このような手順により、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法は、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達することなく、設定核融合出力線上における熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達するように、運転点は、縦軸をプラズマ密度、横軸がプラズマ温度としてＰＯＰＣＯＮ図上で示す軌跡において、イグニッション境界線近傍を左旋回するように制御される。つまり、本制御方法では、運転点が設定核融合出力線の上下のどちらにあるかよって燃料供給が決まることと、運転点は熱的不安定イグニッション境界線から離れるように動く、この２つの組み合わせによって、熱的不安定イグニッション境界線上の不安定平衡点の回りを左回りに、かつ旋回半径が次第に小さくなる様な回転を発生させるので、０次元粒子バランス方程式、あるいは、０次元パワーバランス方程式を不安定平衡点周りで線形化しなければできなかったような複雑な制御手法をとる必要がない。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法は、運転時に使用されるプラズマ密度分布を箱形分布とし、プラズマ密度分布およびプラズマ温度分布を固定して演算するパワーバランス方程式で前記プラズマ密度分布が箱型分布で使用される係数を予め算出して求め、かつ、前記外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を加えて核融合炉の核融合出力を行うこととしてもよい。そして、当該制御方法は、外部加熱パワーをプレ制御すると共に、ＤＴ燃料をプレ制御する第１ステップと、前記外部加熱パワーのプレ制御を引き続き行い、かつ、前記ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料による炉心プラズマのプラズマ密度の偏差を用いてＰＩＤフィードバック制御する第２ステップと、前記第２ステップを行う設定時間が経過した後に、前記外部加熱パワーを設定された時間で０とするように段階的に減少させ、かつ、ＤＴ燃料の供給を核融合出力の偏差を用いてＰＩＤフィードバック制御する第３ステップとを行っている。さらに、当該制御方法は、前記第３ステップにおいて、プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を、核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いることによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行っている。
【００２２】
このような手順により、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御方法は、第１ステップにおいて、設定された時間まで一定の値で、外部加熱パワーをプレ制御し、かつ、ＤＴ燃料をプレ制御する。そして、当該制御方法は、第２ステップにおいて、外部加熱パワーを段階的に供給し、かつ、ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料によるプラズマ密度をＰＩＤフィードバック制御してプラズマ密度を所定値以上に上げた状態とする。これは、核融合出力が十分に大きくなるまで外部加熱パワーがプラズマの加熱を助けてやる必要があるからである。そして、第３ステップにおいて、外部加熱パワーを段階的に０に近づけるように減少させると共に、ＤＴ燃料供給を核融合出力の偏差に基づいてＰＩＤフィードバック制御する。このＰＩＤフィードバック制御するときに、プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が越えること、かつ、核融合出力の偏差を演算するときの制御係数に負の値を用いることによって、プラズマ密度の急上昇を引き起こさせ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するような安定な運転とする。なお、運転時に使用されるプラズマ密度分布を箱形分布で与える場合、プラズマ伝導損失パワーは、プラズマ密度分布を放物分布で与える場合に比較して、大幅に減少する。
【００２３】
また、本発明は前記した課題を解決するため、以下のようにＤＴヘリカル型核融合発電装置の制御装置を考え、以下の構成とした。
すなわち、請求項５に記載の発明は、外部加熱パワー発生装置およびＤＴ燃料供給装置に対して予め設定されたプレ制御およびＰＩＤフィードバック制御を行い熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に到達させるＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、前記ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック制御において、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、前記再設定時に前記制御係数ｃを正から負の値に変換することによって、プラズマ密度の急上昇を引き起こさせ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行う構成とした。
【００２４】
このように構成することにより、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、ＤＴ燃料の燃料供給率を演算する場合に、核融合出力の偏差における制御係数を正（＋１）から負（−１）の値に変換した状態として制御している。すなわち、制御係数を正から負の値にしてＤＴ燃料供給のＰＩＤフィードバック制御を行うと、核融合出力の値が核融合出力の設定値を超えたときにＤＴ燃料が供給され、その結果プラズマ温度が下がりプラズマ密度は上昇することになる。そうなると、自己点火領域の外側にはみ出してしまう結果、今度は核融合出力の値が核融合出力の設定値を下回り、ＤＴ燃料の供給が減少するかストップし、その結果、プラズマ温度が上がり、プラズマ密度が減少する方向に運転点が移動し、自己点火領域の中に入る。プラズマ温度が上がりプラズマ密度が下がり、かつ自己点火領域の中に入ると再び核融合出力の値が核融合出力の設定値を超え、ＤＴ燃料が供給され、プラズマ温度が下がりプラズマ密度が上昇する方向に運転点は移動する。このように、当該制御装置では、図１に示すように、横軸にプラズマ温度を取り、縦軸にプラズマ密度を取って示す運転点を表すと（図８、図９（ａ）、図１１参照）、その運転点を左回り旋回を繰り返しながら、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させることができる。
【００２５】
さらに、請求項６に記載の発明は、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料を加えて核融合炉の核融合出力を行うＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置において、入力手段と、外部加熱パワープレ制御手段と、ＤＴ燃料プレ制御手段と、外部加熱パワーフィードバック制御手段と、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、前記ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段は、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に到達した後に、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、その後、当該設定値を元の値に戻し、かつ、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、再設定時に前記制御係数ｃの値を、正から負の値に変換することによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行う構成とした。
【００２６】
このように構成したことにより、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、キーボード等の入力装置を介して入力手段により核融合炉の核融合出力に用いられメモリ等の記憶手段に記憶されている数式の変数を入力する。そして、外部加熱パワーのプレ制御、フィードバック制御、および、ＤＴ燃料のプレ制御、ＰＩＤフィードバック制御を切り替えて行う設定時間を、入力手段から入力して記憶手段に記憶しておく。つぎに、当該制御装置は、運転がスタートすると、はじめに、外部加熱パワープレ制御手段により、入力されて予め設定された外部加熱パワーを炉心プラズマに供給すると共に、ＤＴ燃料プレ制御手段により、入力されて予め設定されたＤＴ燃料を供給する。このとき、設定された時間内で、外部加熱パワーのプレ制御およびＤＴ燃料のプレ制御が行われるように設定されている。さらに、当該制御装置は、設定された時間の経過より、核融合炉の核融合出力を設定値にして、外部加熱パワー発生装置からの外部加熱パワーを所定の時間で０となるようにフィードバック制御すると共に、ＤＴ燃料供給装置からのＤＴ燃料を核融合炉から検出された核融合出力の値と核融合出力の設定値との偏差に基づいてＰＩＤフィードバック制御する。
【００２７】
そして、当該制御装置は、ＰＩＤフィードバック制御により運転点が熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域に達すると、設定された時間により、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段が、核融合出力の設定値を予め設定した値より一旦小さく再設定しておくと共に、かつ、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、前記再設定時に前記制御係数ｃの値を正から負の値に変換することによって、ＤＴ燃料の供給を行わせ、急激に密度を上昇させ、その後再度、核融合出力の設定値を戻し、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その点を維持した状態とする。ここで制御係数の値が負として核融合出力の偏差が演算されることと、核融合出力の設定値よりも核融合出力が大きいことの２つにより、ＤＴ燃料の供給が行われ、急激に密度を上昇させるので、運転点が一定核融合出力線に沿って熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に移動する。この移動する際の運転点は、横軸を温度、縦軸を密度とするＰＯＰＣＯＮ図で示されるグラフにおいて、イグニッション境界線近傍で左旋回するように移動して、設定核融合出力線上で、かつ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達して、維持された状態となる。
【００２８】
また、請求項７に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、入力手段と、外部加熱パワープレ制御手段と、ＤＴ燃料プレ制御手段と、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段がＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバックする際に、前記プレ制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いることによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するようにＰＩＤフィードバック制御する構成とした。
【００２９】
このように構成したことにより、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、外部加熱パワーのプレ制御およびＤＴ燃料のプレ制御を予め設定された設定時間内で行い、かつ、ＤＴ燃料についてＰＩＤフィードバック制御するときに、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に運転点が直接向かうようにしている。つまり、当該制御装置は、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段が、前記プレ制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が越えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いることによって、急激に密度を上昇させると、運転点は熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に向かって移動する。この移動する際の運転点は、横軸を温度、縦軸を密度とするＰＯＰＣＯＮ図で示されるグラフにおいて、イグニッション境界の近傍で、左旋回するように移動して、設定核融合出力線上の熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達して、そこで維持される状態となる。
【００３０】
さらに、請求項８に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、入力手段と、外部加熱パワープレ制御手段と、ＤＴ燃料プレ制御手段と、ＤＴ燃料密度ＰＩＤフィードバック制御手段と、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段と、を備え、前記ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段は、プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が超えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いることによって、急激に密度を上昇させ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達させ、その状態を維持するように前記ＰＩＤフィードバック制御を行う構成とした。
【００３１】
このように構成したことにより、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、入力手段により入力された変数により核融合出力で用いる数式を演算し、かつ、設定時間で、外部加熱パワープレ制御手段により外部加熱パワーのプレ制御を行うと共に、ＤＴ燃料プレ制御手段によりＤＴ燃料のプレ制御を行う。そして、当該制御装置は、設定時間により、外部加熱パワープレ制御手段により外部加熱パワーを０とするように制御すると共に、ＤＴ燃料密度ＰＩＤフィードバック制御手段により設定されたプラズマ密度設定値と炉心プラズマから検出されたプラズマ運転密度の値との偏差に基づいて、前記ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料によるプラズマ密度をＰＩＤフィードバック制御する。さらに、当該制御装置は、設定時間で、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段によりＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバック制御する。
【００３２】
そして、当該制御装置は、ＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバック制御する際に、プラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御時における核融合出力の設定値を核融合出力の値が超えたときに、前記核融合出力の偏差をｅＤＴとし、核融合出力の設定値をＰｆｏとし、実際の核融合出力をＰｆとして算出するｅＤＴ＝ｃ（１−Ｐｆ／Ｐｆｏ）において、負の値の前記制御係数ｃを用いることによって、急激に密度を上昇させると、運転点は熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に向かって移動する。この移動する際の運転点は、横軸を温度、縦軸を密度とするＰＯＰＣＯＮ図で示されるグラフにおいて、イグニッション境界線の近傍で、左旋回するように移動して、設定核融合出力線上の熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達して、維持される状態となる。
【００３３】
また、請求項９に記載の発明として、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、核融合出力おいて検出される各値と、前記外部加熱パワー発生装置から加えられる外部加熱パワーの値と、ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料の供給量と、を表示装置に出力する出力手段を備える
構成とした。
このように構成したことにより、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の制御装置は、出力される各値からＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の運転に必要なグラフや一覧表を表示させることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係るＤＴ磁気閉じ込め（へリカル、トカマク）型核融合発電装置の制御装置およびその制御方法は、以下に示す優れた効果を示すものである。
請求項１および請求項５に記載の発明によれば、核融合出力の偏差を算出するときの制御係数を正から負の値に置き換えてＰＩＤフィードバック制御するため、低温・高密度領域で運転できるので、輻射パワー損失を増やすことができ、その結果ダイバータ熱流束を低減できるので、ダイバータ板の損耗を減らすことができ、その寿命を延ばすことによって運転維持費を安価にすることができる。
【００３５】
また、粒子バランス，エネルギーバランス方程式を線形化する必要も、それらの方程式に頼る必要もなく、発生した中性子を計測して得られる核融合出力の信号を用いて実際に核融合燃焼プラズマの制御ができるので，以前に提案されていた制御法に比して現実的であり、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の低温・高密度領域の不安定イグニッション領域による発電を可能とするもので、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の現実的な制御を可能とする。
【００３６】
本発明によれば、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、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。また、自己点火領域の低温側に位置して外部加熱パワーを印加する必要のあるサブイグニッション領域にも、必要ならばすぐに移行できる。
さらに、本発明によれば、ＰＩＤフィードバック制御においてもプラズマ内部に起こりうる粒子閉じ込め時間の変化、不純物の一時的増加、エネルギー閉じ込め時間の変化等の擾乱に対してもロバストで安定に当該装置の運転ができる利点を有する。
【００３７】
請求項２および請求項６に記載の発明によれば、核融合出力の信号を用いたＰＩＤフィードバック制御によって定常的な運転点まで到達できるので、以前に提案されていた制御法に比して簡素で、現実的であり、ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の低温・高密度領域の不安定イグニッション領域による発電を可能とするものである。
【００３８】
請求項３および請求項７に記載の発明によれば、熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域を経ることなく、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に到達させることができ、ＰＩＤフィードバック制御を行う場合に、複雑な演算をすることがなく、かつ、ダイバータ熱流束を低減できるので、ダイバータ板の損耗を減らすことができる。
【００３９】
請求項４および請求項８に記載の発明によれば、運転時に使用されるプラズマ密度分布を箱形分布として使用し、かつ、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に到達させることができると共に、ダイバータ熱流束を低減できる。そのため、プラズマ密度分布を放物分布として使用するものと比較しても、ダイバータ板の損耗を減らし、その寿命を延ばすことによって運転維持費を安価にすることができる。
【００４０】
請求項９に記載の発明によれば、核融合炉から検出される各値、外部加熱パワー発生装置から加えられる外部加熱パワーの値、ＤＴ燃料供給装置から供給されるＤＴ燃料の供給量を表示装置に出力して、各値を表示するので、制御中の状態が認識できる。
【００４１】
また、本発明によれば、外部加熱プレ制御、プラズマ密度およびＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック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ＤＴヘリカル型の核融合発電装置に適用することができる。さらに、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域における当該装置の制御が可能なことから、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適用でき、かつ、タイプの異なるトカマク核融合炉においても適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、発明を実施するための最良の形態についてＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置の一例であるＤＴヘリカル型核融合炉において図面を参照して説明する。
図２（ａ）は、ＤＴ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（ｂ）は、そのダイバータ部を示す断面図、図３は、ＤＴヘリカル型核融合炉の断面状態を模式的に示す断面図、図４ＡはＤＴヘリカル型核融合発電装置の制御装置を示すブロック図である。
【００４３】
図２（ａ）および図３に示すように、ＤＴヘリカル型核融合炉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、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装置（外部加熱パワー発生装置）８、ＤＴ燃料を供給するガスあるいはペレット入射装置となるＤＴ燃料供給装置９から構成される。
【００４４】
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１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ーを熱エネルギーに換えるものである。
【００４５】
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ーが取り出されて発電に利用される。
【００４６】
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。
【００４７】
ＤＴヘリカル型核融合炉１０は、中心部の炉心プラズマ１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。
【００４８】
図２（ｂ）に示すように、真空容器４の内壁面の所定位置には、スリットが形成されたバッフル板１４が設けられており、このバッフル板１４と真空容器４の内壁面に囲まれて形成したダイバータ室１５が真空容器４内の四隅に形成されている。ダイバータ室１５内には、ダイバータ板１６が設けられている。このダイバータ板１６は、グラファイトタイルで角柱形状に形成され内部に冷却管１６ｂを挿通した柱体１６ａが複数並べられて構成されている。そして、ダイバータ室１５内の全部またはいずれかには、粒子排気装置１７が設置されている。なお、ダイバータ板１６は、プラズマ閉じ込め領域から外に流れ出るプラズマ熱流および粒子流（ダイバータプラズマ）を受けて制御処理するものである
【００４９】
また、ＤＴ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。
なお、外部加熱装置８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を使用することもできる。また、ＤＴ燃料供給装置９には、ＤＴ燃料を供給するためにガスあるいはペレット入射装置およびそれと同等の装置が用いられる。
【００５０】
さらに、ＤＴヘリカル型核融合炉１０からの核融合出力等の値を検出して出力するための検出装置として、つぎのようなものが設置されている。
核融合出力の値を検出して出力する中性子出力検出器、制動輻射損失パワーの値を検出して出力するボロメータ、電子サイクロトンの値を検出する電子サイクロトロン検出器、プラズマ密度を検出する密度干渉計、反磁性の値を検出する反磁性ループ等の各検出装置である。
【００５１】
これらの検出装置により検出された各値は、制御を行う場合に使用され、かつ、表示手段としての表示モニタ（表示装置）３０に出力された場合、グラフ（図７、図１０、図１２〜図１７）あるいは数値一覧表（図２０）等として表示されるために使用される。
【００５２】
図２（ａ）に示すように、外部加熱装置８およびＤＴ燃料供給装置９は、制御装置２０により制御されている。制御装置２０は、図２および図４Ａに示すように、入力手段２１と、外部加熱パワープレ制御手段２３と、フィードバック制御手段（外部加熱パワーフィードバック制御手段）２４と、ＤＴ燃料プレ制御手段２５と、燃料ＰＩＤフィードバック制御手段（ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段）２６と、出力手段２９とを備えている。なお、この制御手段２０は、ここでは、計時手段２２により計時した設定時間で各制御手段２３〜２６を制御するようにしている。
【００５３】
図４Ａに示すように、入力手段２１は、図示しないキーボード等の入力装置から、図示しないメモリ等の記憶手段に、ＤＴヘリカル型核融合炉１０の核融合出力の計算で用いられている各式における変数等を入力するものである。
【００５４】
計時手段２２は、各制御手段２３〜２６の制御する設定時間を計時するものである。この計時手段２２は、例えば、内蔵されているタイマ等であり、各制御手段２３〜２６に計時した時間を信号として送っている。
【００５５】
外部加熱パワープレ制御手段２３は、入力手段２１を介して入力された変数から数式（例えば、後記する式１０等）により演算された値に基づいて、予め設定した設定値になるように外部加熱装置８が炉心プラズマ１に供給する外部加熱パワーを制御（プレ制御）するものである。この外部加熱パワープレ制御手段２３は、ここでは、計時手段２２からの計時された時間が予め設定されており、その設定された設定時間に到達するまで、外部加熱パワーを段階的（図７（ｄ）参照）に炉心プラズマ１に加えている。そして、外部加熱パワープレ制御手段２３は、予め設定された５０ＭＷ（図７（ｄ）参照）以下の出力となるプレプロ値に基づいて、外部加熱装置８の外部加熱パワーを制御している。
【００５６】
フィードバック制御手段２４は、プラズマ密度の値と、プラズマ密度限界値とにより演算される外部加熱パワーの値に基づいて、所定の設定時間で外部加熱装置８からの外部加熱パワーを０にするようにフィードバック制御している。このフィードバック制御手段２４は、ここでは、計時手段２２で計時された時間が予め設定された設定時間になると、外部加熱パワーのプレ制御から切り替わりフィードバック制御を行うように設定されている。
【００５７】
ＤＴ燃料プレ制御手段２５は、入力手段２１を介して入力された変数から数式により演算された値に基づいて、予め設定した設定値となるようにＤＴ燃料供給装置９からのＤＴ燃料の供給量を燃料プレ制御するものである。このＤＴ燃料プレ制御手段２５は、ここでは、計時手段２２からの計時された時間が予め設定されており、その設定された設定時間に到達するまで、ＤＴ燃料を設定された供給量において炉心プラズマ１に供給している。
【００５８】
燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６は、入力手段２１を介して入力された変数から数式により演算された核融合出力の設定値と、前記核融合炉の核融合出力の値との偏差に基づいて、予め設定された設定値（目標設定値）となるように、ＤＴ燃料供給装置９のＤＴ燃料の供給をＰＩＤフィードバック制御するものである。この燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６は、ここでは、計時手段２２によって計時された時間が予め設定された設定時間になると、ＤＴ燃料プレ制御から切り替わってＰＩＤフィードバック制御を行うように設定されている。
【００５９】
出力手段２９は、ＤＴヘリカル型核融合炉１０に設けた各検出器（中性子出力検出器、ボロメータ、電子サイクロトロン検出器、密度干渉計、プラズマ反磁性ループ等）から出力される各値を表示モニタ（表示装置）３０等に出力するものである。
【００６０】
ＤＴ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、低温・高密度の自己点火領域に達するための制御方法および制御装置（制御システム）が大幅に異なる。以下、ＤＴヘリカル型核融合炉１０を運転して核融合出力に至るまでの制御方法についてシミュレーションにより説明する。
【００６１】
ＤＴ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、エネルギー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。
【００６２】
また、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線までの平均の距離をいう。
【００６３】
このように構成されたＤＴヘリカル型核融合炉１０は、図４Ａの制御システムを用いて、図５Ａで示すような運転方法で、図６Ａによる計算アルゴリズムのフローチャートに示す手順で、コンピュータを用いてシミュレーションが行われる。図６Ａ、Ｂ、Ｃのフローチャートは図５Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれの運転法における制御方法に対応している。なお、図５Ａ、図６Ａによる計算実施例を図７と図８に示し、図５Ｂ、図６Ｂによる計算実施例を図１０と図１１に示し、さらに図１２〜図１６にここで使用される数式による各値の適切な範囲の一例を示し、図５（ｃ）、図６（ｃ）による計算実施例を図１７に示している。それぞれの運転法に対する定常値は図２０に表で示した。以下、はじめに、図５（ａ）、図６Ａを参照して第１実施形態について説明し、後に、第２実施形態および第３実施形態の説明を行う。
【００６４】
なお、図５Ａの上段に、各制御において熱的安定領域で運転しているか不安定領域で運転しているかを示す制御係数ｃの値を示し、どのような制御が行われているかを表し、２段目に核融合出力の設定波形を取り、３段目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し、下段（４段目）に外部加熱パワーの波形を示した。
【００６５】
図５Ａには、プレ制御からＰＩＤフィードバック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。核融合出力が設定値に達したら、一定値になるように設定し、第５設定時間（１３０秒）に核融合出力の設定値を核融合出力の値よりも少し小さく設定し、かつ後述の（１５式）の制御係数ｃの符号を正から負へ切り替えることで熱的に不安定な領域でも制御可能になるようにしている。
【００６６】
図７から図１６に、実際の運転に使用される数値を使用し、放物密度分布の場合の熱的に不安定な自己点火領域に至る過程と、熱的に不安定な定常運転点でのプラズマの種々の擾乱に対する本運転制御法のロバスト性を示し、本制御法を用いることによって熱的に不安定な自己点火領域で運転ができることを示す。図１７には、最近のＬＨＤ実験装置で得られた箱形密度分布でかつ広い放物温度分布の低温・高密度運転の成果を取り入れた計算結果を示す。
【００６７】
図７から図１６は、ＤＴヘリカル型核融合炉１０（図２（ａ）参照）において、核融合出力をプレ制御およびフィードバック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（１２式）、エネルギーバランス方程式（１式）、ＩＳＳ９５閉じ込めスケーリング則（７式）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次元と呼び、ここではプラズマ密度に関しては中心がピークになる放物分布と中心が平坦になる箱形分布を用いている。温度に関しては放物分布である。これらの密度分布や温度分布は時間がたっても変化しない。
【００６８】
また、前記した以外の方程式として、外部加熱パワーの式（１０式）、電荷中性条件から求まる電子バランス方程式（１２式）、ヘリウム灰粒子密度比の方程式（１３式）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（１１式）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。
【００６９】
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、７式で表される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。以下１式から１５式（図５Ｃで示す第３実施形態では１６式から２２式までについても使用する）のＤＴヘリカル型核融合炉１０の運転制御のシミュレーションに用いた式を詳しく説明する。ただし、１式以降のすべての数式において、同じ記号は同じ意味で使用するので、なるべく繰り返さないようにして説明する。
以下、
時間変化を考慮したパワーバランス方程式の簡単な式は
【００７０】
【数１】
2009139153.tif 000003
【００７１】
ただし、１式中において、
ｄＷ／ｄｔはプラズマエネルギーの時間変化、
ＰＥＸＴは外部加熱パワー、
Ｐａｌｐｈａはアルファ粒子加熱パワーで、
ＰＳはシンクロトロン輻射損失パワーであるが、小さな値であるために本計算では省略する。
【００７２】
【数２】
2009139153.tif 000004
【００７３】
ただし、２式中において、
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、
<σｖ(ｘ)>DTはＤＴ核融合反応率の体積平均、
ηαはアルファ粒子損失割合、
ｎｅ（０）は中心電子密度、
ここで、ＰＢは制動輻射損失パワーで、３式で与えられる。
【００７４】
【数３】
2009139153.tif 000005
【００７５】
ただし、３式中において、
αｎは密度分布係数、
αＴは温度分布係数、
ｎｅ（０）は中心電子密度
Ｔｅ（０）は中心電子温度、
Ｚｅｆｆは有効電荷数、
ＰＬはプラズマ伝導損失パワーであり、次の４式で与えられる。
【００７６】
【数４】
2009139153.tif 000006
【００７７】
ただし４式中において
τＥはエネルギー閉じ込め時間で、７式で与えられ、
Ｗはプラズマエネルギー、
γｉはイオン温度と電子温度の比（Ｔｉ／Ｔｅ）であるが、ここではγｉ＝１としている。
また、電子密度分布ｎｅ（ｘ）は次の５式で与えられる。
【００７８】
【数５】
2009139153.tif 000007
【００７９】
図７〜図１６では、αｎ＝１で与えられる放物分布を用いた。ここで用いられているｎe(０)とｎ（０）は中心電子密度、中心プラズマ密度のことで、これらは全く同じ量を表し、同じ意味で用いられる。
プラズマ温度分布Ｔ（ｘ）は６式で与えられる。
【００８０】
【数６】
2009139153.tif 000008
【００８１】
ただし、ｘはプラズマ中心から小半径方向の距離である。ここで用いられているＴ(０)とＴｉ（０）は中心プラズマ温度、中心イオン温度のことで、これらは全く同じ量を表し、同じ意味で用いられる。単に温度あるいはプラズマ温度とも表現する。また、電子温度とイオン温度は等しいとおいているので、電子温度も単に温度と記載する場合もある。
図７〜図１６の実施例ではαＴ＝１の放物分布を用いた。
エネルギー閉じ込め時間τＥ［ｓ］は次の７式で与えられる。
【００８２】
【数７】
2009139153.tif 000009
【００８３】
ただし、７式中において、
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り、正味の加熱パワーＰＮＥＴ（９式）を用いる。
【００８４】
なお、ＤＴ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（８式）を用い、図７〜図１６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１．５〜４．５（密度限界係数γＳＵＤＯ）倍を採用する。したがって、熱的に安定な領域で用いられる外部加熱パワーのフィードバック制御には８式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１０式を用いる。
須藤密度限界スケーリング則は、
【００８５】
【数８】
2009139153.tif 000010
【００８６】
ただし、８式中において、
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、ｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０））で、γＤＬＭ＞１でなければならない。
γＳＵＤＯは密度限界係数、
ｎ（０）は中心電子密度で、
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ＰＮＥＴは、以下の９式で与えられる。
【００８７】
【数９】
2009139153.tif 000011
【００８８】
ただし、９式中において、
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。
８式に９式を代入し、書き直すと次の１０式になる。
【００８９】
【数１０】
2009139153.tif 000012
【００９０】
ただし、１０式中において、
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。
イオン温度を計算するパワーバランス方程式は、
【００９１】
【数１１】
2009139153.tif 000013
【００９２】
ただし、１１式中において、
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ー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、
Ｔｉ（０）は中心イオン温度、
γｉはイオン温度と電子温度の比（Ｔｉ／Ｔｅ）、
ｎｅ（０）は中心電子密度、
［ｄｎｅ（０）／ｄｔ］には１２式を用いる。
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。
電荷中性条件から求まる電子バランス方程式は、
【００９３】
【数１２】
2009139153.tif 000014
【００９４】
ただし、１２式中において
τｐ＊は、重水素、トリチウム燃料粒子の有効閉じ込め時間、
τα＊はヘリウム灰の有効粒子閉じ込め時間
ｆｏは酸素不純物密度割合
ＳＤＴは、重水素、トリチウムの燃料供給率である。
ヘリウム灰粒子密度比の方程式は、
【００９５】
【数１３】
2009139153.tif 000015
【００９６】
ただし、［ｄｎｅ（０）／ｄｔ］には１２式を代入する。
また、核融合出力の制御は、１４式の燃料供給率ＳＤＴ（ｔ）において核融合出力の偏差（１５式）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フィードバック制御とは、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。
燃料供給率のＰＩＤフィードバック制御式は、
【００９７】
【数１４】
2009139153.tif 000016
【００９８】
ただし、１４式中において
ｅDT（Pｆ）は核融合出力の偏差で、
【００９９】
【数１５】
2009139153.tif 000017
【０１００】
で与えられる。
Pｆ（ｔ）は核融合出力で、中性子発生パワーＰｎとアルファ粒子加熱パワーＰalphaの和（Ｐｆ（ｔ）＝Ｐｎ＋Ｐalpha）で与えられ、
Pｆ０（ｔ）は核融合出力の設定値、
ｃ＝＋１は熱的に安定な領域で用いる正の制御係数、
ｃ＝−１は熱的に不安定な領域で用いる負の制御係数、
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。
【０１０１】
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（１１式）により外部加熱パワーを印加したときのイオン温度Ｔｉ（０）を計算し、同時に０次元粒子バランス方程式（＝電子バランス方程式：式１２）から目指す核融合出力を得る密度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１０式に代入して外部加熱パワーを計算する。
【０１０２】
そのとき、アルファ粒子加熱パワー、制動輻射損失パワー、シンクロトン輻射パワーを、算出したプラズマ密度ｎ（０）およびイオン温度Ｔｉ（０）を用いて計算する。さらに、プラズマ密度ｎ（０）およびイオン温度Ｔｉ（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、それを再び用いてプラズマ密度限界マージンγＤＬＭ＝ｎ（０）ｌｉｍ／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。
【０１０３】
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（８式）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（１０式）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。しかし、後でも説明するように、外部加熱パワーの１０式を用いたフィードバック制御は熱的不安定領域での制御には使用することはできないので、プレプログラムとした。
【０１０４】
第１の実施形態として、図４Ａの制御システムを用いて、図５Ａで示すような運転方法について、図６Ａの計算アルゴリズムのフローチャートと、１２０秒の核融合出力立ち上げ時間が経過した後１３０秒に熱的不安定領域に遷移する図７の計算結果を参照して、具体的な数値を使用したＤＴ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。ＤＴヘリカル型核融合炉１０も、図２（ａ）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。
【０１０５】
図５Ａの運転方法では、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（熱的安定領域用ＰＩＤフィードバック制御フェーズ）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が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、それ以降は熱的に安定な定常状態となる。スタートから第５設定時間として１３０秒たった後、熱的不安定領域に遷移する。
【０１０６】
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、ＤＴヘリカル型核融合炉１０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。
【０１０７】
このシミュレーションは、図６Ａのフローチャートに示すように、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、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７）と燃料供給ＰＩＤフィードバック制御と外部加熱パワーフィードバック制御フェーズ（フィードバック制御フェーズ）（Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３，Ｓ１４、Ｓ１５）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。はじめに、ＤＴ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。以下、図５Ａも併用しながら詳しく説明する。なお、図６Ａにおいて、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料のプレ制御を第１ステップとし、外部加熱パワーのフィードバック制御およびＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック制御を第２ステップとする。
【０１０８】
図６Ａおよび図４Ａに示すように、ステップＳ１でＤＴヘリカル型核融合炉１０の装置パラメータの各値が入力手段２１から入力されて、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出力手段２９により表示モニタ３０に出力して、図７に示す各グラフを表示するようにしている。すなわち、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ｎ（０）ｌｉｍおよびイオン温度Ｔｉ（０）［ｋｅＶ］のＹ軸値を図７（ａ）に表示するように、ヘリウム灰割合ｆαおよび核融合出力Ｐｆ［ＧＷ］のＹ軸値を図７（ｂ）に表示するように、プラズマ密度限界マージンｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０）および平均ベータ値＜β＞のＹ軸値を図７(ｃ)に表示するように、外部加熱パワーＰＥＸＴ［ＭＷ］および ＤＴ燃料供給率ＳＤＴ［ｍ−３／ｓ］のＹ軸値を図７（ｄ）に表示するように、表示モニタ３０に出力する。このプレプログラム制御フェーズでは、ステップＳ３において、プラズマ密度、イオン温度、不純物等のプラズマパラメータ、閉じ込め時間を用いたプラズマ伝導損失パワー、アルファ粒子加熱パワー、制動輻射損失パワー、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。
【０１０９】
図５Ａの運転方法で示す第１設定時間３０秒後も同様に計算を続け、同様に表示モニタ３０に出力し、２００秒まで計算を続ける。ここで、図７に示す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Ｓ１５まで進みながら随時各値が出力される。
【０１１０】
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を与え（ステップＳ７）、その値に基づいて、再度、ステップＳ２、ステップＳ３を３０秒に到達するまで計算を繰り返す。
【０１１１】
ここで、図６Ａに示すステップＳ２〜Ｓ６までは、図４Ａに示す外部加熱パワープレ制御手段２３による外部加熱パワーの供給と、ＤＴ燃料プレ制御手段２５によるＤＴ燃料の供給が行われている。そして、計時手段２２から計時される時間の信号により、外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料プレ制御手段２５のそれぞれは、第１設定時間が経過したか否かを判定している。
【０１１２】
なお、外部加熱パワープレ制御手段２３は、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偏差を用いて熱的に安定な領域においてＰＩＤフィードバック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、熱的に安定な領域においてＰＩＤフィードバック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４０ＭＷよりも増大し５０ＭＷ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、熱的に安定な自己点火に到達することがわかる。
【０１１３】
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。外部加熱パワーを０としても、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ので核融合反応は持続する。
【０１１４】
ここで、図６Ａに示すステップＳ８〜Ｓ１１までは、図４Ａに示す外部加熱パワーをフィードバック制御するフィードバック制御手段２４およびＤＴ燃料をＰＩＤフィードバック制御する燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６によるそれぞれの制御が行われ、ステップ１２〜Ｓ１５までは、燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６により制御が行われている。なお、フィードバック制御手段２４では、所定時間で外部加熱パワーが０になるため、それ以降の外部加熱パワーの供給は行われない。
【０１１５】
その後、第４設定時間とした１２０秒(核融合出力立ち上げ時間)に核融合出力が１．９ＧＷまで増大する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。そして、第５設定時間（１３０秒）（ステップＳ１３）が経過すると、熱的不安定領域に遷移させるために、燃料供給を行わせるべく核融合出力の設定値を１．９ＧＷよりも小さい値（１．８９ＧＷ  ）に設定する。同時に１５式の制御係数ｃを＋１から−１に変換する（ステップＳ１４）。その結果、燃料供給が急速に増大し、プラズマ密度が増大するとともに、イオン温度は減少し、熱的に不安定な自己点火領域の境界に移動する。計算終了時間２００秒までに運転点は熱的に不安定な自己点火領域の定常値に達するので（ステップＳ１５）、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。本制御法によって、本来ならば不安定であった自己点火領域が安定になり、定常値を持つことになる。
【０１１６】
これらのシミュレーションは、ＤＴヘリカル型核融合炉１０においては図４Ａに示すような制御システムによって実行される。入力ターミナルである入力手段２１から、外部加熱パワーのプレプログラム波形ＰＥＸＴ、核融合出力波形の設定値Ｐｆ０、密度限界マージンの設定値γＤＬＭ、燃料供給のプレプログラム波形ＳＤＴ、燃料供給のＰＩＤフィードバック制御においていつ熱的安定領域から不安定領域に移動するかを入力する。ＤＴプラズマから発生した中性子を計測し、全中性子パワーＰｎを算出し、核融合出力Ｐｆを出力する。この出力した核融合出力Ｐｆと核融合出力波形の設定値Ｐｆ０の偏差（１５式）を用いて燃料供給をフィードバック制御する。また、ボロメータで制動輻射損失パワーＰＢを計測し、電子サイクロトロン検出器でシンクロトロン輻射パワーＰＳを計測し、密度干渉計でプラズマ密度ｎを計測し、これらからパワーバランスを算出してフィードバック用の外部加熱パワーＰＥＸＴ（１０式）を算出し、外部加熱装置８を動作させる。またそれぞれ測定したプラズマパラメータを出力手段２９により表示モニタ３０に出力して図示しないメモリ等の記憶手段に保存している。
【０１１７】
なお、ＤＴヘリカル型核融合炉１０の熱的安定領域で運転した場合と不安定領域で運転した場合の定常値を図２０に示す。図２０では、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としエネルギー増倍率（Ｐｅ／ＰＥＸＴ）を番号３９までとして定常時における各値を示している。また、図２０に示すように、イオン温度、プラズマ密度分布が同じ放物分布でも、目標としている核融合出力値が得られた時の熱的安定自己点火領域の定常値と熱的不安定自己点火領域の定常値は異なる。そして、熱的不安定領域に達した後にパラメータに擾乱を与えて変化させる場合（図１２〜図１６）、その後の定常値は当然異なる。また、放物分布と記載している列では、密度分布係数は１、温度分布係数は１であり、その定常値は、同じ熱的不安定自己点火領域で運転しても箱形分布の場合の定常値とは異なる。すなわち、分布が異なれば定常値も異なる。
【０１１８】
図７に対応したＰＯＰＣＯＮ図（プラズマ密度・イオン温度の平面上に描かれた外部加熱パワーの等高線図）を図８に示す。これからわかるように、運転点は、高温・低密度の熱的安定な領域から、熱的に不安定な低温・高密度領域に移動していることがわかる。
【０１１９】
熱的に不安定な低温・高密度領域における安定化の原理について図９（ａ）を用いて説明する。一般にＤＴ燃料をプラズマに急に入射すると、プラズマ密度は上昇し、プラズマは冷却され、イオン温度は下がる。逆に、ＤＴ燃料供給を止めると、プラズマ密度は減少し、イオン温度は上昇する。したがって、核融合出力（Ｐｆ）が設定値（Ｐｆ０）を超えると（Ｐｆ＞Ｐｆ０）、１５式の制御係数をｃ＝-１とおいた式からわかるように、燃料供給率は増大し、運転点は低温・高密度側に動く（Ａ点からＢ点）。自己点火領域からはみ出しＢ点に移動すると、Ｂ点は自己点火領域よりも低いイオン温度側にあるので、運転点は不安定で、さらに温度を下げようとする。
【０１２０】
そうすると、運転点が核融合出力の設定値Ｐｆ０を横切り、それを下回ることになる（Ｂ点からＣ点）。その結果、今度は燃料供給が減少あるいはストップし、プラズマ密度は減少し、イオン温度は上がる。その結果、運転点は自己点火領域に再び入る（Ｃ点からＤ点）。自己点火領域では熱的不安定性の結果、運転点はイオン温度の高い方に移動する。その結果、再び、核融合出力の設定値Ｐｆ０を横切り、それを上回るために、再び燃料供給が行われ、プラズマ密度が増大し、イオン温度が下がることになる。このようにイグニッション境界線の近傍において左回りに回転（旋回）しながら、最終的に定常運転点（自己点火領域の境界線）に近づいていく。
【０１２１】
一方の熱的に安定な高温・低密度の自己点火領域における核融合出力の燃料ＰＩＤフィードバック制御についても図９（ｂ）を用いて説明する。後述する２２式の定常パワーバランス方程式を利用して考える。運転点がイグニッション境界線よりも高温側にある場合、プラズマコンダクション損失パワーＰＬと制動輻射損失パワーＰＢの和が、アルファ粒子加熱パワーよりも大きいので（Ｐａｌｐｈａ＜ＰＬ＋ＰＢ）、運転点は矢印で示すようにイオン温度の低い方に移動する。一方、イグニッション領域ではプラズマコンダクション損失パワーＰＬと制動輻射損失パワーＰＢの和が、アルファ粒子加熱パワーＰａｌｐｈａよりも小さいので（Ｐａｌｐｈａ＞ＰＬ＋ＰＢ）、運転点は矢印で示すようにイオン温度の高い方に移動する。このように熱的に安定な高温・低密度領域では運転点はイグニッション境界線に向かって動く。これが熱的に安定といわれる由縁である（前記の熱的に不安定な低温・高密度領域では、これと同じメカニズムによって運転点はイグニッション境界線から離れていく。これが不安定と呼ばれる由縁である）。
【０１２２】
したがって、図９（ｂ）のＤ点のように、核融合出力が設定値よりも大きく（Ｐｆｏ＜Ｐｆ）かつイグニッション領域の外側にある場合、１５式の制御係数をｃ＝＋１とおいた式からわかるように、燃料供給が減って密度が下がり、イオン温度も低下する結果、運転点は矢印のように定常運転点Ｐ点の方向に向かって動く。Ｃ点のように、核融合出力が設定値よりも大きく（Ｐｆｏ＜Ｐｆ）かつイグニッション領域の内側にある場合、１５式の制御係数をｃ＝＋１とおいた式からわかるように、燃料供給が減って密度が下がるが、今度はイオン温度が上がるために、運転点は矢印のように定常運転点Ｐ点の方向に向かって動く。
【０１２３】
また、Ａ点のように、核融合出力が設定値よりも小さく（Ｐｆｏ＞Ｐｆ）かつイグニッション領域の外側にある場合、１５式の制御係数をｃ＝＋１とおいた式からわかるように、燃料供給は増大しプラズマ密度は上がり、イオン温度は低下する結果、運転点は矢印のように定常運転点Ｐ点の方向に向かって動く。Ｂ点のように、核融合出力が設定値よりも小さく（Ｐｆｏ＞Ｐｆ）かつイグニッション領域の内側にある場合、１５式の制御係数をｃ＝＋１とおいた式からわかるように、燃料供給は増大しプラズマ密度は上がり、イオン温度は増大する結果、運転点は矢印のように定常運転点Ｐ点の方向に向かって動く。総じて、熱的に安定なイグニッション領域内では運転点は右回りに動く。以上を簡単にまとめると、すなわち、ｃ＝＋１の場合、熱的安定領域では運転点は右回りに回転し、ｃ＝−１の場合、熱的不安定領域では運転点は左回りに回転する対応関係にあることがわかる。
そして、本発明によれば、外部加熱パワーが、例えば、従来において必要とされていた１００ＭＷの最大外部加熱パワーより５０％程度小さい５０ＭＷ以下で足りる。
【０１２４】
次に第２実施形態の説明をする。図５Ｂは、図５Ａでは第５設定時間を１３０秒にしていたのを３０秒とし、すなわちプレ制御からＰＩＤフィードバック制御への切替までの設定時間３０秒と同時に前記の（１５式）の制御係数ｃの符号を負（−１）へ切り替える場合である。したがって３０秒以降は低温・高密度側の熱的に不安定な領域を通って、直接熱的不安定自己点火領域に達する運転である。したがって、図５Ａのように熱的に安定な自己点火領域を通る必要はない。熱的不安定領域で運転中はプラズマ密度限界マージンが１以上になるようにあらかじめマージンを設定している。なお、熱的に不安定な領域では図５Ｂの最下段の外部加熱パワーの波形に示すように、外部加熱パワーのフィードバックは行わずプレプログラムとした。
【０１２５】
図４Ｂの制御システムを用いて、図５Ｂで示すような運転法について、図６Ｂの計算アルゴリズムのフローチャートと、３０秒から熱的不安定制御を行い核融合出力立ち上げ時間が１２０秒の計算結果（図１０）を用いて、本運転方法のシミュレーション結果を詳しく説明する。なお、同じ構成のものは同じ符号を付して説明を省略する。ＤＴヘリカル型核融合炉は、図２（ａ）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する。
【０１２６】
また、ここでは、図４Ｂに示すような制御システムを使用することで、ＤＴヘリカル型核融合炉１０の制御を行うものである。なお、すでに説明した構成は、同じ符号を付して説明を省略する。
図４Ｂに示すように、外部加熱パワープレ制御手段２３は、入力手段２１を介して入力された変数から数式（例えば１０式等）により演算された値に基づいて、予め設定した設定値になるように外部加熱パワー発生装置から外部加熱パワーを、炉心プラズマ１に供給するプレ制御を行うと共に、予め設定された時間で外部加熱パワーを０とするように外部加熱パワーの供給を制御するものである。
【０１２７】
この外部加熱パワープレ制御手段２３は、ここでは、計時手段２２からの計時された時間が予め設定されており、その設定された設定時間に到達するまで、外部加熱パワーを段階的（図１０（ｄ）参照）に炉心プラズマ１に加え、つぎに設定されている設定時間までに外部加熱パワーを段階的（図１０（ｄ）参照）に０にするように設定されている。なお、外部加熱パワーを段階的に０となるように減少させる場合は、その一回に減少させる値が２０ＭＷを超えないようにしている。
また、図１０（ｂ）の左下に示すように、核融合出力のプレ制御（点線）における設定値は、１ＭＷより小さな値となるように設定されており、この設定値（点線）よりも核融合出力が大きくなり、かつ制御係数ｃが−１になったときに密度が急上昇し、あとは核融合出力の設定値とともに増大していく。
【０１２８】
また、図１０〜図１６には、図５Ｂで示すような運転を行った結果を示す。図５Ｂの運転法において用いられている時間について詳しく説明する。第１設定時間（３０秒）はプレプログラムによって外部加熱パワーを印加して、その後の熱的に不安定な領域で行うＰＩＤフィードバック制御ができ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（２９．９秒）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、その値を初期値とするが、ここでは３０秒以降も外部加熱パワーをプレプログラム制御するために図５Ａの様に密度限界マージンを直線的に減少させる必要がなく、その意味ではこの運転方法での大きな意味はない。また、図５Ａの第３設定時間は取り除き、核融合出力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以上になるように設定している。本運転法では図５Ａで示した熱的不安定制御に移行する第５設定時間を第１設定時間まで早めて設定し、３０秒から熱的に不安定な領域で燃料供給制御を行う様にしている。なお、ここでは、図５Ａで示した第３設定時間に相当する設定時間はない。
【０１２９】
第４設定時間（１２０秒）は、第１設定時間（３０秒）経過後に核融合出力が１．９ＧＷの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（核融合出力立ち上げ時間）。一方、外部加熱パワーは第５設定時間（第１設定時間）での値をしばらく保持し、その後核融合出力の順調な増大を助けるように試行錯誤で段階的に減少させ、１００秒で０になるように設定している。外部加熱パワーを０にする時間を遅らせる分にはかまわないが、その時間を早めすぎると順調な核融合出力立ち上げが損なわれてしまう。なぜなら、アルファ粒子加熱が十分に大きくなるまで外部加熱パワーがプラズマの加熱を助ける必要があるからである。ここでは外部加熱パワーを印加する時間を少しでも短くして省エネルギーをはかるとともに、イグニッション領域に達することができるのに十分な値を取り１００秒とした。また、外部加熱パワーを段階的に減少させる場合、１つのステップあたりの減少量を大きくすると、核融合出力を増大させることができなくなるので、２０ＭＷ以上には大きくならないようにしている。
【０１３０】
このシミュレーションは、図６Ｂのフローチャートに示すように、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、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）と燃料供給ＰＩＤフィードバック制御フェーズ（ＰＩＤフィードバック制御フェーズ）（Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２，Ｓ１３）に分かれている。この境となる時間を第１設定時間あるいは第５設定時間（３０秒）とする。はじめに、ＤＴ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。以下、図５Ｂも併用しながら詳しく説明する。なお、図６Ｂおよび図５Ｂにおいて、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料のプレ制御を第１ステップとし、外部加熱パワーの段階的な減少を行うプレ制御およびＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック制御を第２ステップとする。
【０１３１】
図６Ｂおよび図４Ｂに示すように、ステップＳ１でＤＴヘリカル核融合炉１０の装置パラメータの各値が入力手段２１から入力されて、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出力手段２９により表示モニタ３０に出力して、図１０に示す各グラフを表示するようにしている。すなわち第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ｎ（０）ｌｉｍおよびイオン温度Ｔｉ（０）［ｋｅＶ］のＹ軸値を図１０（ａ）に、ヘリウム灰割合ｆαおよび核融合出力Ｐｆ［ＧＷ］のＹ軸値を図１０(ｂ)に、プラズマ密度限界マージンｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０）および平均ベータ値＜β＞のＹ軸値を図１０(ｃ)に、外部加熱パワーＰＥＸＴ［ＭＷ］および ＤＴ燃料供給率ＳＤＴ［ｍ−３／ｓ］のＹ軸値を図１０（ｄ）に表示するように表示モニタ３０に出力する。このプレプログラム制御フェーズでは、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、制動輻射損失パワー、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。
【０１３２】
第１設定時間３０秒後も同様に計算を続け、同様に表示モニタ３０に出力し、２００秒まで計算を続ける。ここで図１０に示す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Ｓ１３まで進みながら随時各値が出力される。
【０１３３】
ここで、図６Ｂに示すステップＳ２〜Ｓ６までは、図４Ｂに示す外部加熱パワープレ制御手段２３による外部加熱パワーの供給と、ＤＴ燃料プレ制御手段２５によるＤＴ燃料の供給が行われている。そして、計時手段２２から計時される時間の信号により、外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料プレ制御手段２５のそれぞれは、第１設定時間が経過したか否かを判定している。
外部加熱パワープレ制御手段２３は、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Ｓ５）、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を供給する。それと同時に、ＤＴ燃料プレ制御手段２５は、プレ制御におけるＤＴ燃料を供給する（ステップＳ６）。外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料プレ制御手段２５は、その設定された値に基づいて、再度、ステップＳ２、ステップＳ３を３０秒に到達するまで計算を繰り返す。
【０１３４】
つぎに、ステップＳ５において、３０秒が経過したと判定されると、熱的不安定用制御に移行する。すなわち、ステップＳ３の計算結果に基づいて、燃料供給ＰＩＤフィードバック制御を、核融合出力の設定値を実際の核融合出力の値が越えた後に（図７（ｂ）の左下点線）、１５式の制御係数ｃ＝−１とおいて、核融合出力の偏差によって行い、燃料供給を急激に起こし、密度を急上昇させる（ステップＳ７）。このとき、２９．９秒でのプラズマ密度限界マージンは３．１（図７（ｃ）のＹ軸では表示されていない大きな値）と大きく、熱的不安定化燃料供給ＰＩＤフィードバック制御に入った瞬間に密度が急上昇するが、５０ＭＷの外部加熱パワーはプレプログラム制御フェーズにあり一定なので、プラズマ密度限界マージンは１以上の値である。その後、外部加熱パワーを段階的に減少させ、１００秒で０ＭＷとする。外部加熱パワーを０としても、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ので核融合反応は持続し、熱的に不安定な自己点火領域に到達する。
【０１３５】
ここで、図６Ｂに示すステップＳ７〜Ｓ９までは、図４Ｂに示す外部加熱パワーをプレ制御する外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料をＰＩＤフィードバック制御する燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６によるそれぞれの制御が行われ、ステップＳ１０〜Ｓ１２までは、燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２６により制御が行われている。なお、外部加熱パワープレ制御手段２６は、ステップＳ１０〜Ｓ１２までは、外部加熱パワーを０とするように制御されている。
【０１３６】
このようにして熱的に不安定な領域を通って第４設定時間(１２０秒)に核融合出力が１．９ＧＷまで増大し、その後、計算終了時間２００秒までに運転点は熱的に不安定な自己点火領域の定常値に達するので（ステップＳ１２）、各値を定常値として出力し（ステップＳ１３）シミュレーションを終了する。本制御法によって、本来ならば不安定であった自己点火領域が安定になり、定常値を持つことになる。
【０１３７】
これらのシミュレーションは、ＤＴヘリカル型核融合炉１０においては図４Ｂに示すような制御システムによって実行される。入力ターミナルである入力手段２１から、外部加熱パワーのプレプログラム波形ＰＥＸＴ、核融合出力波形の設定値Ｐｆ０、密度限界係数γSUDO、燃料供給のプレプログラム波形ＳＤＴ、燃料供給のＰＩＤフィードバック制御において熱的不安定領域に移行する時間を入力する。ＤＴプラズマから発生した中性子を計測し、全中性子パワーＰｎを算出し、核融合出力Ｐｆを出力する。この出力した核融合出力Ｐｆと核融合出力波形の設定値Ｐｆ０の偏差（１５式）を用いて燃料供給を熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御する。また、ボロメータで制動輻射損失パワーＰＢを計測し、電子サイクロトロン検出器でシンクロトロン輻射パワーＰＳを計測し、密度干渉計でプラズマ密度ｎを計測し、これらからパワーバランスを計算して正味の加熱パワーＰＮＥＴ（９式）を算出し、プラズマ密度マージンγＤＬＭ＝ｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０）（８式）を算出する。プラズマ密度マージンが１以下にならない程度に密度限界係数を設定する（なお：最近のＬＨＤ実験の低温度・高密度運転においては、密度限界はほとんど存在しなくなりつつあり、密度限界係数の設定は重要でなくなりつつある）。また、それぞれ測定したプラズマパラメータを出力手段２９により表示モニタ３０に出力して図示しないメモリ等の記憶手段に保存している。
【０１３８】
図７では熱的に安定な運転点に到達してから不安定点に移動したが、図１０には熱的安定点を経ることなく、直接初期状態（３０秒）から熱的に不安定な低温・高密度領域に移動できることを示す。この場合３０秒時において、熱的不安定領域に遷移させるために、核融合出力の設定値を核融合出力よりも小さい値に設定して（図１０（ｂ）の左下の点線）、核融合出力の値が設定値を越えると同時に、１５式の制御係数ｃを＋１から−１に変換する。このように、３０秒から１２０秒まで、熱的に不安定な定常運転点だけでなく、その点に接近する途中でも１５式によって制御できることがわかる。図７の熱的に安定な領域を通って定常運転点に到達する場合、外部加熱パワーは１０式を用いてフィードバック制御できたのに対して、図１０の熱的に不安定な領域を通って不安定な定常運転点に到達する場合、１０式を用いてフィードバック制御制御することは困難である。高温・低密度領域の自己点火領域では、加熱パワーを増大すると、運転密度は下がる一方で密度限界は増大し、両者は離れていく。一方、低温・高密度領域の自己点火領域では、加熱パワーを増大すると、運転密度も密度限界も両者ともに増大していく。その結果８式の須藤密度限界スケーリング則を利用した１０式のようなフィードバック制御は使用が困難となる。したがって、熱的不安定領域で運転する場合、外部加熱パワーはプレプログラム制御とした。
【０１３９】
図１０に対応したＰＯＰＣＯＮ図を図１１に示す。これからわかるように、運転点が熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に向かって移動する。この移動する際の運転点は、イグニッション境界線の近傍で、左旋回するように移動して設定核融合出力線上の熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達して維持される状態となる。そのため、高温・低密度の熱的に安定な領域を経由せずに、直接、熱的に不安定な低温・高密度領域に移動できることがわかる。
【０１４０】
本発明における熱的な不安定な領域での制御方法では、ＤＴ燃料供給のＰＩＤフィードバック制御により密度の増減を行うので、実際にプラズマ密度を増減できるかがポイントになってくる。密度増大はＤＴ燃料を凍らせてアイスペレットにして入射するので問題はないが、プラズマ密度を急速に減少させることができるかどうかが問題になる。一般に核融合炉ではプラズマ密度減少は燃料粒子を強力に排気することによって行うことができる。１２式の右辺の大括弧の第２項目である中括弧の第１項（（ｆＤ＋ｆＴ）／τｐ＊）がその密度減少を表す項である。すなわち、その分母であるτp＊が密度減少時間の尺度であるが、一般に核融合炉の研究ではこの燃料粒子（ＤＴ）閉じ込め時間τp＊とエネルギー閉じ込め時間tＥに対する比（τp＊／τＥ）をその指標とする。この値が小さいほど燃料粒子の排気が行われやすく、したがって密度は減少しやすいということである。ＤＴヘリカル型核融合炉１０では通常τp＊／τＥ＝３の値を使用している。図１２ではイグニッション領域の存在に影響を与えるτp＊／τＥの取り得る最大の値を調べるために、この値を３からスキャンし、イグニッション領域がなくなる１つ手前の値について計算した結果を示す。
【０１４１】
すなわち、図１２では重水素粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比を５倍大きい１５にとった場合の図である。τp＊／τＥの比を増大させると、燃料粒子の排気に時間がかかり密度の増減ができないので安定化制御はできないのではないかと予想される。しかしながら、図１２に示すように、τp＊／τＥ＝１５までは定常運転点まで到達していることから、燃料粒子閉じ込め時間がここまで長くなっても熱的不安定領域でのＰＩＤ燃料制御には影響を与えないことが理解できる。なお、τp＊／τＥをここまで大きくとれる理由は、燃料粒子の閉じ込め時間が長くなっても、核融合反応によってＤＴ燃料が減少し、等価的に燃料粒子閉じ込め時間が短くなったからであると考えられる。すなわち１２式の右辺の大括弧の第２項目の中括弧のさらに第２項目のヘリウム粒子灰（２ｆα／τα＊）の項からわかるように、発生するヘリウム粒子灰が短時間で除去できる限りにおいては、核融合反応がある場合、等価的な燃料粒子閉じ込め時間は短くなり、熱的不安定領域で安定化制御ができることを示している。
【０１４２】
ＤＴ核融合で発生するヘリウム灰粒子をどの程度の速さで排気すればよいかを示す尺度がヘリウム灰粒子の閉じ込め時間である。通常、このヘリウム灰粒子の閉じ込め時間τα＊とエネルギー閉じ込め時間τＥに対する比（τα＊／τＥ）をその指標とする。この値が小さいほどＤＴ核融合で発生するヘリウム灰粒子の密度が減少する。すなわちいわゆる不純物としてのヘリウム灰粒子の密度が減少する。その結果イグニッション領域が広がる。逆にこの値が大きいとＤＴ核融合で発生する不純物としてのヘリウム灰粒子の密度が増大するために、イグニッション領域は狭くなる。したがって、ヘリウム灰粒子の閉じ込め時間とエネルギー閉じ込め時間に対する比がどこまで許容できるかが重要になる。通常、ＤＴヘリカル核融合炉１０ではτα＊／τＥ＝３の値を用いている。この比をどこまで大きくとれるかを調べるために３からスキャンし４，５，６と大きな値について計算してみた。そのときの許容できる最大値に近い値がτα＊／τＥ＝５であり、そのときの熱的不安定自己点火領域に接近する様子を調べたのが図１３である。これより大きな値を用いると、もはや自己点火領域は存在しない。ヘリウム灰粒子が短時間で除去できないと、ヘリウム灰粒子が不純物としてたまり、燃料粒子のプラズマ密度に対する割合が減少するいわゆる燃料希釈現象が起き、核融合反応が減少するからである。
【０１４３】
通常、ＤＴヘリカル核融合炉１０では閉じ込め増倍度はγＩＳＳ９５＝１．９２の値を用いている。もし、運転中に閉じ込め増倍度変化することを想定した場合でも本不安定制御法が使用できるかどうか調べておく必要がある。そこで低温・高密度の定常不安定領域に達した後の１３０秒で閉じ込め増倍度を１．９２から１．８にステップ状に減少させた場合の変化を調べたのが図１４である。この範囲であれば定常不安定運転点は維持でき制御できていることがわかる。また、閉じ込め増倍度が減少すると、ヘリウム灰割合は減少し、ＰＯＰＣＯＮ図（図１１）からも理解できるように、密度が減少し、温度が上昇することがわかる。この変化の方向は熱的に安定な自己点火領域での変化とは逆である。
【０１４４】
図１４と逆に、運転中に閉じ込め増倍度（γＩＳＳ９５）が増大する場合について調べた結果が図１５（ａ）〜（ｄ）である。低温・高密度の定常不安定領域に達した後の１３０秒で閉じ込め増倍度を１．９２から２．２に増大させた場合の変化を調べた。この範囲であれば定常不安定運転点を維持制御できていることがわかる。閉じ込め増倍度が増大すると、ヘリウム灰割合は増大し、またＰＯＰＣＯＮ図（図１１）からも理解できるように、密度が増大し、温度が減少することがわかる。この変化の方向も熱的に安定な自己点火領域での変化とは逆である。
【０１４５】
通常、ＤＴヘリカル核融合炉１０では酸素不純物の電子密度に対する割合はｆｏ＝０．７５％の値を用いている。さらに不純物が増大するとイグニッション領域は狭くなる。そのためにどの程度までの不純物のステップ状の増大が本不安定制御法にとって許容できるかを調べた結果が図１６（ａ）〜（ｄ）である。すなわち、低温・高密度の定常不安定領域に達した後の１３０秒に酸素不純物の電子密度に対する割合をｆｏ＝０．７５％から１％に増加させた。この範囲の不純物量であれば定常不安定運転点を維持制御できることがわかる。それ以上に不純物量が増加すると，自己点火領域が狭くなり，自己点火状態が維持できなくなる。
【０１４６】
次に第３実施形態について説明する。なお、図５Ｃにおいて、その上段（１段目）に各制御における項目において、熱的安定領域で運転しているか不安定領域で運転しているかを示す制御係数ｃの値を示し、どのような制御が行われているかを表し、２段目に核融合出力の設定波形を取り、３段目に密度制御波形を示し、４段目に時間軸を共有させてプラズマ密度限界マージンの結果の波形を示し、下段（５段目）に外部加熱パワーの波形を示した。なお、熱的に不安定な領域では図５Ｃの最下段の外部加熱パワーの波形に示すように、外部加熱パワーのフィードバックは行わずプレプログラムとした。
また、第２実施形態および第３実施形態では、第１実施形態ですでに説明した構成は同じ符号を付して説明を省略する。
【０１４７】
また、ここでは、図４Ｃに示すような制御システムを使用することで、ＤＴヘリカル型核融合炉１０の制御を行うものである。
図４Ｃに示すように、ＰＩＤフィードバック制御手段２７は、核融合出力の設定値と実際の値との偏差により、ＤＴ燃料を制御する場合に、ＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段として機能し、かつ、プラズマ密度の設定値と、プラズマ運転密度の値との偏差により、ＤＴ燃料を制御する場合に、ＤＴ燃料密度ＰＩＤフィードバック制御手段として機能する構成である。
【０１４８】
図５Ｃに示すように、この制御方法は、外部加熱パワーを加えてプレプログラム制御する一方、燃料制御において、予め設定された時間に密度ＰＩＤフィードバック制御を行う制御から、核融合出力がある一定値に達したら、核融合出力の偏差を用いた熱的不安定燃料供給ＰＩＤフィードバック制御（１５式の制御係数が負（-１））によって熱的に不安定な低温・高密度領域の自己点火領域に到達する運転制御方法である。
【０１４９】
図４Ｃの制御システムを用いて、図５Ｃで示すような運転法で、図６Ｃに示す計算アルゴリズムのフローチャートと、１０秒から熱的不安定制御を行い核融合出力立ち上げ時間が５０秒の計算結果（図１７）を用いて、本運転方法のシミュレーション結果を詳しく説明する。これはＬＨＤヘリカル装置において得られた密度分布が箱形分布、温度分布が広い放物分布を持つ低温・高密度運転に基づいた核融合炉の運転法である。これはプレ制御を経た後、密度ＰＩＤフィードバック制御、熱的不安定用燃料供給ＰＩＤフィードバック制御に移行する運転であり、その実施例について図１７を用いて説明する。ＤＴヘリカル型核融合炉１０も、図２（ａ）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する。本運転法の計算に際しては、図５Ａ、Ｂの放物分布を持つ場合の計算とは異なり、箱形密度分布なので計算はより複雑であるので、パワーバランスを計算する際にあらかじめその係数を計算しておかねばならない。
まず、箱形密度分布には次のハイパボリック関数を用いる。
【０１５０】
【数１６】
2009139153.tif 000018
【０１５１】
ただし、ｘはプラズマ中心から小半径方向の距離である。
したがって密度分布ｎ（ｘ）は次の１７式になる。
【０１５２】
【数１７】
2009139153.tif 000019
【０１５３】
ここでは密度が小半径のｘ＝０．４５の場所で急激に減少するように、ａｎ＝０．２ とおいた。
温度分布は６式においてαＴ＝０．２５とおいて得られる広い放物分布を用いた。これらの箱形密度分布と広い放物分布の温度分布波形を図１８に示す。
このような箱型密度分布の場合のプラズマコンダクション損失パワーＰＬは、４式の１／（１＋αｎ＋αＴ）の係数に、次の１８式で得られる値を代入して計算する。
【０１５４】
【数１８】
2009139153.tif 000020
【０１５５】
ただしＷはプラズマエネルギー、
ｋはボルツマン定数である。
放物密度分布では、αｎ、αＴを用いて単に１／（１＋αｎ＋αＴ）を計算すればよいが、箱形密度分布では、４式の１／（１＋αｎ＋αＴ）に、上のようにして数値積分して得られた値０．１９４４２９を用いて計算すればよい。
【０１５６】
制動輻射損失パワーの体積平均値は、３式の１／（１＋２αｎ＋０．５αＴ）に次の１９式で得られる値を代入して計算する。
【０１５７】
【数１９】
2009139153.tif 000021
【０１５８】
箱形密度分布では、３式の１／（１＋２αｎ＋０．５αＴ）に、上のようにして数値積分して得られた値０．１７２８９１を用いて計算すればよい。アルファ粒子加熱の場合は箱形密度分布について直接積分することで求める。
【０１５９】
箱形密度分布の場合はこのようにして、１式あるいは１１式のパワーバランスを計算することができる。図５Ｃの１段目に示す１０秒から１２．８秒にかけて行う密度ＰＩＤフィードバック制御は次の２０式と２１式を用いて計算する。
【０１６０】
【数２０】
2009139153.tif 000022
【０１６１】
ただし、２０式中においてｅDT（ｎ）は密度の偏差で、
【０１６２】
【数２１】
2009139153.tif 000023
【０１６３】
で与えられる。
ｎ（０）はピーク密度の測定値、
ｎＧＷはピーク密度の設定値、
その他の数値は１４式で用いたのと同じである。すなわち、
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。
【０１６４】
図５Ｃの運転法では、図５Ｃの５段目（Ｙ軸が外部加熱パワー）に示すように、第一設定時間（１０秒）までは単にプラズマを維持するためだけに５ＭＷの外部加熱パワーを印加する。このフェーズをプレ制御フェーズと呼ぶ。第一設定時間（１０秒）時に外部加熱パワーを印加して、同時に密度ＰＩＤフィードバック制御を行い、実際のプラズマ密度がプラズマ密度設定波形に等しくなるようにしている。第５設定時間（１２．８秒）は、それ以降は熱的不安定領域での燃料供給ＰＩＤフィードバック制御を行うので、そのための十分な核融合出力が得られる時間である。第４設定時間（５０秒）は、第１設定時間（１０秒）経過後に核融合出力が１．９ＧＷの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（核融合出力立ち上げ時間）。外部加熱パワーは第５設定時間（第１設定時間）での値をしばらく保持し、その後、核融合出力の順調な増大を助けるように段階的に減少させ、２４秒で０になるように設定している。外部加熱パワーを０にする時間を遅らせる分にはかまわないが、その時間を早めすぎると順調な核融合出力立ち上げが損なわれてしまう。なぜなら、アルファ粒子加熱が十分に大きくなるまで外部加熱パワーがプラズマの加熱を助けてやる必要があるからである。
【０１６５】
ここでは外部加熱パワーを印加する時間を少しでも短くして省エネルギーをはかるとともに、５０秒で定常イグニッション領域に達することができるのに十分な値をとり２４秒とした。また、外部加熱パワーを段階的に減少させる場合、１つのステップあたりの減少量を大きくすると、核融合出力を増大させることができなくなるので、１ステップあたり２０ＭＷ以下にしている。実際、図１７に示すように、１０秒まで５ＭＷ印加してプレプログラム制御した後、燃料制御において予め設定された時間（１０秒−１２．８秒）に密度ＰＩＤフィードバック制御を行う。核融合出力がある程度大きくなり、図１７（ｂ）の左下の点線に達したら、すなわち１２．８秒に密度ＰＩＤフィードバック制御から１４式と１５式を用いた核融合出力の偏差を用いた熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御（ｃ＝−１）に移る。同時に核融合出力の設定値を実際の核融合出力よりも小さくなるようにしておき、密度の急上昇を引き起こす。その後５０秒まで核融合出力の立ち上げを直線的に行い、熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域に到達する。なお、ここでは、図５Ａで示した第３設定時間に相当する設定時間はない。
【０１６６】
このシミュレーションは、図６Ｃのフローチャートに示すように、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、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）と、燃料供給のための密度ＰＩＤフィードバック制御フェーズ（Ｓ７）と核融合出力を用いた燃料供給のためのＰＩＤフィードバック制御フェーズ（ＰＩＤフィードバック制御フェーズ）（Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１５）に分かれている。初めの境となる時間を第１設定時間（１０秒）し、次の境となる時間を第５設定時間とする。はじめに、ＤＴ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。以下、図５Ｃも併用しながら詳しく説明する。なお、図６Ｃおよび図５Ｃにおいて、外部加熱パワーおよびＤＴ燃料のプレ制御を第１ステップとし、ＤＴ燃料によるプラズマ密度のＰＩＤフィードバック制御を第２ステップとし、外部加熱パワーの段階的な減少の制御およびＤＴ燃料のＰＩＤフィードバック制御を第３ステップとする。
【０１６７】
図６Ｃおよび図４Ｃに示すように、ステップＳ１でＤＴヘリカル核融合炉１０の装置パラメータの各値が入力手段２１から入力されて、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出力手段２９により表示モニタ３０に出力して、図１７に示す各グラフを表示するようにしている。すなわち、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ｎ（０）ｌｉｍおよびイオン温度Ｔｉ（０）［ｋｅＶ］のＹ軸値を図１７（ａ）に、ヘリウム灰割合ｆαおよび核融合出力Ｐｆ［ＧＷ］のＹ軸値を図１７（ｂ）に、プラズマ密度限界マージンｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０）および平均ベータ値＜β＞のＹ軸値を図１７(ｃ)に、外部加熱パワーＰＥＸＴ［ＭＷ］および ＤＴ燃料供給率ＳＤＴ［ｍ−３／ｓ］のＹ軸値を図１７（ｄ）に表示するように表示モニタ３０に出力する。このプレプログラム制御フェーズでは、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、制動輻射損失パワー、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。
【０１６８】
第１設定時間１０秒後も同様に計算を続け、同様に表示モニタ３０に出力し、６０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Ｓ１５まで進みながら随時各値が出力される。
【０１６９】
ここで、図６Ｃに示すステップＳ２〜Ｓ６までは、図４Ｃに示す外部加熱パワープレ制御手段２３による外部加熱パワーの供給と、ＤＴ燃料プレ制御手段２５によるＤＴ燃料の供給が行われている。そして、計時手段２２から計時される時間の信号により、外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料プレ制御手段２５のそれぞれは、第１設定時間が経過したか否かを判定している。
【０１７０】
そして、外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料プレ制御手段２５は、第１設定時間である１０秒が経過するか否かを判定して（ステップＳ５）、１０秒が経過していない時には、その時間でのプレ制御における外部加熱パワーとプレ制御におけるＤＴ燃料を供給し（ステップＳ６）、その値に基づいて、再度、ステップＳ２、ステップＳ３を１０秒に到達するまで計算を繰り返す。
【０１７１】
つぎに、ステップＳ５において、１０秒が経過したと判定されると、ステップＳ８（１２．８秒）までの核融合出力がある程度大きくなる間、ＤＴ燃料の供給をプラズマ密度によるＰＩＤフィードバック制御により行う（ステップＳ７）。１２．８秒になり、核融合出力がある程度大きくなり核融合出力によって制御できる様になると、ステップＳ３の計算結果に基づいて、ＤＴ燃料の供給についてＰＩＤフィードバック制御を、１５式の制御係数ｃ＝-１とおいて、核融合出力の偏差によって行い、同時に核融合出力の設定値を実際の核融合出力の値が越えたときに（図１７（ｂ）の左下点線）、燃料供給を急激に起こし密度を急上昇させる（ステップＳ９）。このように、熱的不安定化燃料供給ＰＩＤフィードバック制御に入った瞬間に密度が急上昇するが、５０ＭＷの外部加熱パワーはプレプログラム制御フェーズにあり一定なので、プラズマ密度限界マージンは１以上の値である。その後、外部加熱パワーを段階的に減少させ、２４秒（ステップＳ１０）で０ＭＷとする（ステップＳ１１）。外部加熱パワーを０としても、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ので核融合反応は持続する（ステップＳ１３）、そして、５０秒（ステップＳ１４）であるか否かが判定され５０秒に達すると、熱的に不安定な自己点火領域に到達する。
【０１７２】
ここで、図６Ｃに示すステップＳ４〜Ｓ６までは、図４Ｃに示す外部加熱パワーをプレ制御する外部加熱パワープレ制御手段２３およびＤＴ燃料およびプラズマ密度をＰＩＤフィードバック制御するＤＴ燃料ＰＩＤフィードバック制御手段２７によるそれぞれの制御が行われる。そして、ステップＳ７では、ＰＩＤフィードバック制御手段２７によりプラズマ密度に対する制御が行われ、ステップ１１〜Ｓ１４までは、ＰＩＤフィードバック制御手段２７によりＤＴ燃料の供給に対する制御が行われている。
【０１７３】
このようにして熱的に不安定な領域を通って第４設定時間(５０秒)に核融合出力が１．９ＧＷまで増大し（ステップＳ１３）、その後、計算終了時間６０秒までに運転点は熱的に不安定な自己点火領域の定常値に達するので（ステップＳ１４）、各値を定常値として出力し（ステップＳ１５）、シミュレーションを終了する。
【０１７４】
これらのシミュレーションは、ＤＴヘリカル型核融合炉１０においては図４Ｃに示すような制御システム２０によって実行される。入力ターミナルとなる入力手段２１から、外部加熱パワーのプレプログラム波形ＰＥＸＴ、核融合出力波形の設定値Ｐｆ０、密度限界係数γSUDO、燃料供給のプレプログラム波形ＳＤＴ、燃料供給のＰＩＤフィードバック制御において熱的不安定領域に移動する時間を入力する。ＤＴプラズマの密度ｎを計測し、プラズマ密度の設定値ｎＧＷの偏差（２１式）から燃料供給をＰＩＤフィードバック制御する。また、ＤＴプラズマから発生した中性子を計測し、全中性子パワーＰｎを算出し、核融合出力Ｐｆを出力する。
【０１７５】
密度フィードバック制御の後、この出力した核融合出力Ｐｆと核融合出力波形の設定値Ｐｆ０の差（１５式）を用いて燃料供給を熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御する。また、ボロメータで制動輻射損失パワーＰＢを計測し、電子サイクロトロン検出器でシンクロトロン輻射パワーＰＳを計測し、密度干渉計でプラズマ密度ｎを計測し、これらからパワーバランスを計算して正味の加熱パワーＰＮＥＴ（９式）を算出し、プラズマ密度マージンγＤＬＭ＝ｎ（０）ｌｉｍ／ｎ（０）（８式）を算出する。プラズマ密度マージンが１以下にならない程度に密度限界係数を設定する。もしそれ以下だと１以上になるように入力し直し運転する。（なお、最近のＬＨＤ実験の低温度・高密度運転においては密度限界はほとんど存在しなくなりつつある。）またそれぞれ測定したプラズマパラメータを表示モニタ３０に出力して図示しない記憶手段に保存する。
【０１７６】
図１７に対応したＰＯＰＣＯＮ図を図１９に示す。これからわかるように、外部加熱パワーの低い鞍点付近を通って、運転点が熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に向かって移動することがわかる。この移動する際の運転点は、イグニッション境界線の近傍で、左旋回するように移動して設定核融合出力線上の熱的に不安定な低温・高密度の自己点火領域の境界に到達して維持される状態となる。なお、初期に密度制御を行っているために７．５ｋｅＶ以上のプラズマ温度にはならないことがわかる。
【０１７７】
ここで、放物密度分布の熱的安定点と、箱形密度分布の熱的不安定点での定常値について比較検討してみる。結果は図２０の表に示しているが、放物密度分布の熱的安定点でのピーク密度はｎ（０）＝２．８ｘ１０２０ｍ−３であるが、箱形密度分布の熱的不安定点の場合ｎ（０）＝９．８ｘ１０２０ｍ−３と高い。その結果、エネルギー閉じ込め時間は放物密度分布の熱的安定点での場合τＥ＝１．９秒と短いが、箱形密度分布の熱的不安定点の場合τＥ＝４．７秒と長くなる。したがって、４式からわかるように、プラズマ伝導損失パワーは放物密度分布の熱的安定点での場合ＰＬ＝２８２ＭＷと大きく、箱形密度分布の熱的不安定点の場合ＰＬ＝９６ＭＷと大幅に減少する。その結果、箱形密度分布の熱的不安定点の場合、ダイバータ板にいく熱流束、あるいは熱負荷が大幅に減少し、板の損耗が減ることになる。
【０１７８】
制動輻射損失パワーに関して説明するために１式のパワーバランスの定常状態をとって考える。すなわち自己点火領域での定常状態ではｄＷ／ｄｔ＝０でかつＰＥＸＴ＝０であるから、パワーバランスは次の２２式になる。
【０１７９】
【数２２】
2009139153.tif 000024
【０１８０】
これはアルファ粒子加熱Ｐａｌｐｈａが、プラズマ伝導損失パワーＰＬと制動輻射損失パワーＰＢの和に等しいことを表している。（ここではシンクロトロン輻射パワーＰＳはプラズマ温度が低いために無視した。）自己点火領域で定常状態では核融合出力は一定であるから、アルファ粒子加熱Ｐａｌｐｈａも一定である。したがって、箱形密度分布の熱的不安定点の場合のようにプラズマ伝導損失パワーＰＬが小さくなれば、制動輻射損失パワーＰＢは大きくなる。すなわち、放物密度分布の熱的安定点の場合のＰＢ＝５７ＭＷよりも，箱形密度分布の熱的不安定点の場合の方がＰＢ＝２４８ＭＷと大きくなる。したがって、箱形密度分布の熱的不安定点の場合、増大した制動輻射損失パワーによって第一壁が暖まる代わりに、図２（ｂ）に示すようなダイバータ板への熱負荷が減少するのである。ここが低温・高密度運転の非常に優れた点である。
【０１８１】
図２０の表に示すように、放物密度分布の熱的安定点でのダイバータ熱負荷はΓｄｉｖ＝１．６ＭＷ／ｍ２、箱形密度分布の熱的不安定点の場合Γｄｉｖ＝０．５４ＭＷ／ｍ２と３分の１に減少する。このダイバータ熱負荷は板幅１ｍの場合の計算であるが、実際の核融合炉になると約０．１ｍ程度になると考えられるので、ダイバータ熱負荷は１０倍大きくなる。したがって、放物密度分布の熱的安定点でのダイバータ熱負荷はΓｄｉｖ＝１６ＭＷ／ｍ２、箱形密度分布の熱的不安定点の場合Γｄｉｖ＝５．４ＭＷ／ｍ２となる。現在の冷却技術では定常状態で１０ＭＷ／ｍ２と考えられているので、低温・高密度運転は現実的であり、さらなるダイバータに関する技術開発を必要としない利点がある。
【０１８２】
以上、説明したように、ＤＴヘリカル型核融合炉１０では、核融合出力の偏差を用いた燃料供給ＰＩＤフィードバック制御において、熱的に安定な自己点火領域から不安定な自己点火領域に、核融合出力の設定値のわずかな変更と制御係数を変化させるのみで移動することができる。また、本制御方法によって最初の３０秒の立ち上げ時期から熱的に不安定な自己点火領域まで行くことも可能であることが分かる。結局、核融合出力の偏差を用いた本燃料供給ＰＩＤフィードバック制御法を用いれば、今までは不安定と考えられていた自己点火領域でも安定に運転して制御できることが分かる。
【０１８３】
なお、図７から図１７では、プラズマ密度限界値がプラズマ運転密度よりも常に大きくなるように設定し、プラズマ密度限界マージンを１より大きくしている。本不安定制御法そのものは、外部加熱パワーのプレプログラムを行う限り、外部加熱パワーには無関係で、またプラズマ密度限界値がプラズマ運転密度よりも高くありさえすればよい。
【０１８４】
また、図７から図１６では、核融合出力の立ち上げ時間を１２０秒に設定しているが、これより長い時間でも短い時間でも不安定制御は可能であり、前記した秒数に限定されるものではない。その核融合出力の立ち上げ時間の短い例が図１７になっている。
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フィードバック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、外部加熱パワーのプレプログラム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。
【０１８５】
なお、本発明の熱的に不安定な領域における制御のフェーズでは、密度限界マージンによる加熱パワーのフィードバック制御は困難な制御方法なので（図４Ｂ、図４Ｃ）、密度限界マージンを１以上になるようにあらかじめプレプログラムによって設定しておく必要がある。
【０１８６】
図１７に示した運転法においても、密度ＰＩＤフィードバック制御フェーズで密度の設定値を調整することによって、加熱パワーの最小点であるＰＯＰＣＯＮの鞍点付近を通り、熱的不安定点に到達する運転も可能であり、前記の運転法のみに限定されるものではない。
【０１８７】
図５Ｂ、Ｃで示す運転のような熱的不安定領域に早い段階で移行する運転では、時間に応じて制御を行っている。それは基本的にはプラズマのパラメータの変化、そのときの条件を見て順次制御を行っているので、前記の時間を中心にした運転法のみに限定されるものではない。
なお、すでに説明した第１実施形態において制御係数ｃの値を正から負の値に切り替えるタイミングは、核融合出力の設定値を核融合出力の値よりも一旦小さくするときと同時か、あるいは、一旦小さく設定した以降であればよい。つまり、制御係数ｃの値を正から負の値に切り替えるタイミングは、核融合出力の値が一旦小さくした核融合出力の設定値を超えた時、あるいはそれ以降であれば構わない。それによって燃料供給がおこり、急激にプラズマ密度が上昇し、熱的不安定領域に近づく。その後に核融合出力の定常設定値を元に戻せばよい。
また、以上説明したすべての実施形態では、シミュレーションにより制御装置および制御方法を示したが、このシミュレーションにより自己点火領域に到達できたことが、実際のＤＴヘリカル型核融合炉１０を制御できたと同等であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】本発明に係るＤＴヘリカル型核融合炉の２つの運転領域（１．高温・低密度、２．低温・高密度）を示すＰＯＰＣＯＮ図である。
【図２】（ａ）は、本発明に係るＤＴ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。（ｂ）は、本発明に係るヘリカル型核融合炉のダイバータ部の図である。
【図３】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４Ａ】本発明に係るヘリカル型核融合炉の運転制御システムブロック図であり、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熱的安定用ＰＩＤフィードバック制御の後に，熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転を行う場合に用いる制御ダイヤグラムである。
【図４Ｂ】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，プレ制御からすぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転を行う場合に用いる制御ダイヤグラムである。
【図４Ｃ】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，プレ制御から、密度ＰＩＤフィードバック制御を行い、すぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転を行う場合に用いる制御ダイヤグラムである。
【図５Ａ】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熱的安定用ＰＩＤフィードバック制御の後に、熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転法を示すグラフ図である
【図５Ｂ】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、プレ制御からすぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転法を示すグラフ図である。
【図５Ｃ】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，プレ制御から、密度ＰＩＤフィードバック制御を行い、すぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う運転法を示すグラフ図である。
【図６Ａ】本発明に係るヘリカル型核融合炉の運転法をシミュレーションする計算の手順を示すフローチャートであり、図４Ａおよび図５（ａ）にそれぞれ対応している。
【図６Ｂ】本発明に係るヘリカル型核融合炉の運転法をシミュレーションする計算の手順を示すフローチャートであり、図４Ｂおよび図５（ｂ）にそれぞれ対応している。
【図６Ｃ】本発明に係るヘリカル型核融合炉の運転法をシミュレーションする計算の手順を示すフローチャートであり、図４Ｃおよび図５（ｃ）にそれぞれ対応している。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６Ａ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５（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，１３０秒で熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御を行う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８】図７で示した運転軌跡をＰＯＰＣＯＮ上に描いたグラフ図である。
【図９】（ａ）は、本発明である熱的不安定用燃料ＰＩＤフィードバック制御法による不安定自己点火領域における安定化のメカニズムを説明する図である。（ｂ）は、熱的安定自己点火領域での燃料ＰＩＤフィードバック制御による核融合出力の制御のメカニズムを説明する図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う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５０ＭＷである。
【図１１】図１０で示した運転軌跡をＰＯＰＣＯＮ図上に描いたグラフ図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし重水素粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τｐ＊／τＥ）を１５の大きい値にとった場合の図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし重水素粒子閉じこめ時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τｐ＊／τＥ）は３のまま，ヘリウム灰の粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τα＊／τＥ）を５の大きい値にとった場合の図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし重水素粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τｐ＊／τＥ）は３，ヘリウム灰の粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τα＊／τＥ）は３，１３０秒時に閉じ込め増倍度（γＩＳＳ９５）を１．９２から１．８に減少させた場合の擾乱に対する本不安定制御法のロバスト性を調べた図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定用ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし重水素粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τｐ＊／τＥ）を３，ヘリウム灰の粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τα＊／τＥ）は３，１３０秒時に閉じ込め増倍度を１．９２から２．２に増大させた場合の擾乱に対する本不安定制御法のロバスト性を調べた図である。
【図１６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｂ）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５（ｂ）の運転法を用いて、プレ制御からすぐに熱的不安定ＰＩＤフィードバック制御(開始時間３０秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし重水素粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比（τｐ＊／τＥ）は３，ヘリウム灰の粒子閉じ込め時間のエネルギー閉じ込め時間に対する比(τα＊／τＥ)は３，１３０秒時に酸素不純物を入射し、その密度に対する比をｆｏ＝０．７５％から１％に増大させた場合の擾乱に対する本不安定制御法のロバスト性を調べた図である。
【図１７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図６（ｃ）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５（ｃ）の運転法を用いて、プレ制御から、密度ＰＩＤフィードバック制御後、すぐに熱的不安定ＰＩＤフィードバック制御(開始時間１２．８秒)を行う場合のシミュレーション結果を示す各グラフ図である。ただし密度分布は箱形、温度分布は広い放物分布である。
【図１８】箱形形状をした密度分布（箱形密度分布）と広い放物状の温度分布図である。
【図１９】図１７で示した運転軌跡をＰＯＰＣＯＮ上に描いたグラフ図である。
【図２０】シミュレーションにおいて放物分布（密度分布係数１、温度分布係数１）と、箱形密度分布の場合の熱的不安定領域での定常値としたときのプラズマパラメータの熱的安定領域と不安定領域での定常状態の値を示す一覧表図である。
【符号の説明】
【０１８９】
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
８        外部加熱装置（外部加熱パワー発生装置）
９        ＤＴ燃料供給装置（ＤＴ燃料
１０      ヘリカル型核融合炉（ＤＴ磁気閉じ込め型核融合発電装置）
２０      制御装置
３０      表示モニタ（表示装置）
【図１】
2009139153.tif 000025
【図２】
2009139153.tif 000026
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2009139153.tif 000029
【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2009139153.tif 000033
【図６Ａ】
2009139153.tif 000034
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
2009139153.tif 000037
【図８】
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【図９】
2009139153.tif 000039
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2009139153.tif 000045
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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