J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.6 (2007)５
６
０‐
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６

解説

核融合実験装置におけるペレット入射による燃料供給
坂 本 隆 一，星 野 光 保１）
核融合科学研究所，１）名古屋大学大学院工学研究科（原稿受付：２
００
７年４月１日）環状磁場閉じ込め装置の高温プラズマへの固体水素ペレット入射による粒子供給法の基礎となる，プラズマ中における固体水素ペレットの溶発と実効的な粒子のデポジションに関する研究の現状を概説した．また，定常粒子供給が可能な連続ペレット入射装置開発の最近の動向についても紹介する．
Keywords:
plasma fueling, solid hydrogen pellet, ablation, plasmoid, drift

１．はじめにと，高磁場側（トーラス内側）からペレットを入射し，ド磁場閉じ込め核融合炉における燃料供給法としての固体リフトによって粒子をプラズマ中心へ供給するという実験

水素ペレット（以下単に ペレット と表す）入射法は，数が ASDEX-Upgrade において行われ，ペレットの粒子供給

百 m/s から数千 m/s の速度まで加速した固体水素の小粒

効率が劇的に改善される実験結果が得られた［６］．

（ペレット）を高温プラズマ中へ入射し，高温プラズマからこの実験結果は．溶発プラズモイド内に "! ドリフト誘の熱流束によってペレットを溶発させることによって，水起による局所電場が生じ，"!!ドリフトによって溶発プ

素原子（燃料粒子）を高温プラズマ中にデポジットさせる

ラズモイドが大半径外向きに移動するという物理モデルでものである．磁場に閉じ込められた高温プラズマとの直接解釈されている．このような高磁場側ペレット入射による的な相互作用によって粒子を供給するので，原理的に効率

粒子供給効率の改善を受け，現在では技術的困難度に対す

良くプラズマ中心部への粒子供給が可能である．

る粒子供給効率の改善度が低い高速入射を用いるよりも，

核融合プラズマへの粒子供給法としてのペレット入射法

プラズマ中での固体水素溶発とその後のプラズモイド挙動の検討は既に１９６
０年代後半に始まり，比較的少ないエネルの物理的理解に基づき，それらを上手く利用することにギー消費でプラズマ中心部への粒子供給を行うことが可能

よって，既存のペレット入射技術の範疇で粒子供給効率をであるため，数ある粒子供給法の中でも有望であると考え高める研究に重きが置かれている．

られ，プラズマによる固体水素の溶発に関する実験が行わ

また，核融合炉への燃料粒子供給法は，粒子供給効率がれている［１］．１９
７
０年代後半には，中性ガス遮蔽（Neutral

高いことに加えて，それを定常的に維持することが必要で

Gas Shielding: NGS）モデルと呼ばれる，高温プラズマ中にあり，ペレットを定常的に射出する技術も必要である．こおけるペレットの溶発理論が提唱された［２，３］．この理論のことから，固体水素の連続生成に関する研究も進められ

モデルは，現在でもペレット溶発を考える上で基本となるて来た．最近ではスクリューを仕組んだクライオシリンダ理論モデルである．この理論モデルの概要に関しては３．
１（Screw Extruder）の中に予め固体水素を生成しておき，スで述べる．この中性ガス遮蔽モデルによると，10 keV といクリューを回転することによって固体水素を押し出し，う高温の核融合プラズマ条件において，プラズマ中心領域

ロッド状の固体水素を連続生成する装置が開発された［７］．

に燃料粒子を供給するためには，少なくとも 5−10 km/s

この Screw Extruder を用いたペレット生成法にニューマという高速でのペレット入射が必要であり，ペレット射出

チック加速法を組み合わせたペレット入射装置が２００２年にの高速化に力点をおいた装置開発が行われ，２段ニューマ

LHD へ導入された．実際にプラズマ実験に使用され，再現

チックパイプガン方式のペレット入射装置で，3 km/s を超性良く，安定した定常射出が可能であることが実証されてえる速度のペレット加速方法が開発された［４］．一方で高いる［８，９］．LHD に続いて，Tore Supra でも同様なシステ

加熱入力した高温プラズマにおいては，実効的な粒子デポ

ムの連続ペレット入射装置が導入された［１０］．LHD や

ジション分布が，中性ガス遮蔽モデルからの予測値よりもTore Supra での良好な運転実績を鑑み，ITER においてもずっと浅くなり，粒子供給効率が悪化する現象が観測されScrew Extruder によるペレット生成法とニューマチック

るようになった［５］．このことは溶発プラズモイドの大半

加速方式を組み合わせた定常ペレット入射装置の採用が決

径外向きのドリフトに起因しているという作業仮説のもまりつつある．

Solid Hydrogen Pellet Fueling on Magnetically Confined Fusion Plasma
SAKAMOTO Ryuichi and HOSHINO Mitsuyasu

corresponding author’s e-mail: sakamoto@LHD.nifs.ac.jp

５６０!2007 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Commentary

Solid Hydrogen Pellet Fueling on Magnetically Confined Fusion Plasma

R. Sakamoto and M. Hoshino

既に，ペレット入射法については，本誌 Vol. 77 の小特集

水素量で制限されるために，将来の核融合炉で必要な定常「磁場閉じ込め装置での粒子補給システムの現状と課題」のペレット入射は不可能である．そこで，ピストンの代わり第３章で概説している［１１］．本稿では主に，この小特集以にスクリューを用い，固体水素の押し出しと水素の液化，降の最近のペレットによる粒子供給研究およびペレット入

固化プロセスを同時に処理できる Screw Extruder 方式が射装置開発の動向について解説し，将来の核融合炉への展

ロシアのペリン研究所によって開発されている［７］．この望を試みる．なお，最近のペレット入射を用いたプラズマ

Screw Extruder 方式では原理的に固体水素の定常生成が実験にかかわる興味ある話題として，H モードプラズマに可能であり，既に LHD，Tore Supra において，この方式をおける周辺輸送障壁のペデスタル部へのペレット入射によ採用したペレット入射装置が開発され，プラズマ実験に供る ELM 制御実験［１２］やプラズマ中心への粒子供給によるされており，安定した定常射出性能を実証している．また，

超高密度コアプラズマ生成［１３］等がある．これらに関して

JT-60U，JET（２００７年８月に導入予定）［２１］でも Screw Ex-

は本誌 Vol. 82［１４］や Vol. 83［１５］で詳しく紹介されているのtruder 方式を採用したペレット入射装置を現在開発中であで参照されたい．

る．
ここでは，LHD における連続ペレット入射装置を例にとって，Screw Extruder について説明する．図１は Screw

２．ペレットの生成・加速技術
これまで様々なアイデアでペレット生成・加速法が開発

Extruder の装置原理図である．スクリューが内蔵されていされてきたが，現在では淘汰が進み基本的な設計は以下にる銅製のクライオシリンダの下部は冷凍機のコールドヘッ

挙げる方法に収束されてきている．固体水素生成法としてド（4 K）に接続されており，待機時は 7 K 以下に冷却されは，単発入射用として「その場生成方式」と連続入射用とている．輻射熱の侵入を防ぐために，クライオシリンダのして「クライオシリンダ（Extruder）方式」が用いられて周囲は 40 K 程度に冷却された銅製熱シールドで全方向囲いる．ペレット加速方法としては「ニューマチックパイプ

まれている．まず，スクリューを停止した状態で，クライガン方式」と「遠心加速方式」が主に使用されている．以オシリンダ内に熱交換器で冷却した水素ガスを導入する．

下に各方式の特徴を述べる．

水素ガスはクライオシリンダ内で凝縮し，最も径が細いノ

２．
１ ペレット生成法

ズルの部分が固体水素で閉塞され，さらにガスを導入する

２．
１．
１ その場生成方式

ことによって，クライオシリンダ下部の極低温部に固体水その場生成方式は，一部を局所的に冷却したパイプ（射素が生成される．極低温で硬くなった固体水素によって装出バレル）内に水素ガスを充満させることによって，冷却置に加わる負荷を低減するために，クライオシリンダに貼部に水素を凝固させて円筒形のペレットを生成する［１６］．

り付けたヒータで 10 K まで温度を上昇させてから，スク

極低温部での稼働部がなく，パイプの内径と冷却部長さでリューを回転させる．これによって，固体水素が下方へ押ペレットのサイズが決まるために再現性の良いペレット生され，ロッド状の固体水素がノズルから押し出される（図成が可能である．この方式のペレット生成法はニューマ

２）．スクリューを回転させる時は，常にクライオシリンダ

チックパイプガン方式の加速法とのみ組み合わせられ，最へ水素ガスを供給しており，水素ガスは常時スクリューのも単純な方式である．原理的に単発射出しかできないの隙間から極低温部へ流れ込み凝固する．すなわち，押し出

で，将来の核融合炉での使用を想定することはできない．

しプロセスと同時に水素ガスが液化・固化し，連続的に固しかしながら，装置の信頼性，安定性のために，定常運転

体水素がクライオシリンダ内に補充されるために，原理的が必要ない現在のプラズマ閉じ込め実験では重宝され，射出バレルを並列設置して複数のペレット入射を可能とした装置が広く用いられている．例えば，LHD では１
０バレル
［１７，
１８］，Alcator C-mod では２０バレル［１９］のペレット入射装置が使用されている．
２．
１．
２ クライオシリンダ（Extruder）方式
冷却した銅製クライオシリンダの中に水素ガスを導入して固体水素を生成した後，シリンダ上部からピストンで固体水素を圧縮してシリンダ下部にあるノズルからロッド状の固体水素を押し出し，その固体水素ロッドを切断することによってペレットを生成する方式．予め固体水素を作り置きしているために，１つのバレルで連続ペレット入射が可能である．例えば米国のオークリッジ国立研究所で開発され，かつては JET，現在は DIII-D に設置されている連続
ペレット入射装置は 1.8 mm のペレットを 10 Hz で１５０発程
度入射可能であり［２０］，放電時間が数秒から数十秒程度のプラズマ実験に対しては十分な量のペレットを供給可能で
図１ある．ただし，入射できるペレット数は予め生成した固体
５６１

Screw Extruder の装置原理図．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.6 June 2007

図２

Screw Extruder から押し出された固体水素ロッド．

に完全定常運転が可能である．固体水素の生成量はスク
リューの回転速度で調整可能であるが，水素ガスの固化に
図３

要するエネルギーにスクリューの摩擦や固体水素の変形に伴う発熱と高温部からの熱伝導・輻射といった損失を加えた熱量と冷凍能力の競合から生成量の最大値が決まる．例
えば，LHD では 8 K において 20 W の冷凍能力を持つ冷凍機でクライオシリンダを冷却しており，最大で毎秒 35 mg（3 mm"# 55 mm$，%40 Pam３）の固体水素の連続生成が可能である．なお，この固体水素生成量は 3 mm 正円柱形のペレットを１秒間に１８個生成できる量である．最終的には連続生成されるロッド状の固体水素を実時間で切断して射出する．本装置では後述のニューマチック加速方式を採用

固体水素ロッドの切断とペレット射出の原理図．（１）待機
位置ではバレルの断続部とカッティングデバイスの縦穴が一致しており，ノズルから押し出される固体水素ロッドはバレルを通過し，下方へと伸びる．（２）射出時は先ずカッ
ティングデバイスがソレノイドによって駆動され，固体水素が切断されてパイプ内に装填されると同時にバレル断続部はカッティングデバイスによって封じられる．なお，待機時にバレル径よりも長く押し出された余剰な固体水素はペレット切り出し時に下へ落ち，蒸発して真空ポンプによって排気される．（３）10 ms 遅らせて 高 速 射 出 弁 を 開き，加速ガス（ヘリウムもしくは水素）をバレルに印加してペレットを射出する．（４）
射出後，カッティングデバイス
を待機位置に戻し，固体水素ロッドを再びバレル断続部を通過させて，次の射出タイミングトリガを待つ．

しているために，固体水素の切り出し方法としてパイプ形状のカッタを用い，固体水素の切り出しと射出を一連の操

レットの投影面積 !$，加速ガス圧力 $!，加速ガスの比熱比作で行っている．固体水素ロッド切断およびペレット加速#，加速ガスの音速 "!$(#'%!
(，を用いて，ペレット速度部の構造図および動作過程を図３に示す．

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２．
２ ペレット加速法
２．
２．
１ 遠心加速方式（１）

高速で回転する回転体の遠心力を用いてペレットを加速で与えられる［２３］．実際のペレット速度は，上式の 70%する方式である．原理上，回転体の回転周波数までの高繰−90％ に低下するが，定性的には加速ガスの音速に比例す

り 返 し の 連 続 ペ レ ッ ト 加 速 が 可 能 で あ り，ASDEX-る．また，固体水素生成部への不純物凝固やプラズマ真空

Upgrade では 40 Hz 以上の入射周波数でペレット入射実験

容器への不純物流入の観点から，加速ガスとしては水素やを行っている［２２］．また，加速ガスを必要としないためにヘリウムといった軽元素ガスが用いられ，最大 1.5 km/s

定常ペレット射出に適しており，核融合炉を想定した場合程度の速度までのペレット加速が可能である．また，ピスの利点となっている．しかしながら，ペレット射出タイミ

トンで断熱圧縮した高温，高圧の加速ガスを利用する２段

ングは回転体と同期させる必要があるため，任意のタイミ

ニューマチックパイプガン方式も開発されており，最大3.4ングに入射することはできず，プラズマ実験における柔軟km/s の速度が報告されている［４］．ニューマチックパイプ

性は劣る．また，本質的にペレットと加速装置の機械的なガン方式は射出タイミングや速度の制御が容易であり，再接触があるために，ペレットの損傷が避けられず，射出の現性の良いペレットの加速ができる．一方で，加速ガスが信頼性が後述のニューマチックパイプガン方式に比べて劣プラズマ真空容器へ流入することを防ぐために差動排気シる．

ステムが必要であり，特に連続ペレット射出を想定すると

２．
２．
２ ニューマチックパイプガン方式

デメリットとなると考えられていたが，最近開発された空気銃と同様な加速方法であり，高圧のガスの伝播を利LHD や Tore Supra の連続ペレット入射装置ではニューマ

用してペレットを加速する方式である．摩擦や熱交換等をチックパイプガン方式のペレット加速法を採用し，加速ガ無視した理想状態を仮定すると，ペレットの質量 #，ペスの定常排気というデメリットを超えるペレット射出性能
５６２

Commentary

Solid Hydrogen Pellet Fueling on Magnetically Confined Fusion Plasma

R. Sakamoto and M. Hoshinoの高さを実証している．また，このことを鑑みて ITER に

背景プラズマの電子温度［eV］および電子密度［m−３］であおける連続ペレット入射装置設計でも，当初予定していた

る．プラズマ中に入射されたペレットの侵入長や溶発分布

遠心加速方式からニューマチックパイプガン方式へ設計変を求めるためには，ペレット入射軌跡に沿った温度，密度更が進められている．

分布を微小領域に区分し，その微小領域におけるペレット
サイズ減少率とそこを通過する時間から，その微小領域に

３．ペレットによる高温プラズマへの粒子供給

おけるペレット半径の変化と溶発した粒子数が求められ

３．
１ 高温プラズマ中でのペレット溶発

る．ペレット入射軌跡に沿って順次計算し，ペレット半径

磁場閉じ込め核融合プラズマへのペレット入射による燃が０となる点から侵入長が求められる．なお，S.L. Milora

料供給の可能性を調べるために，高温プラズマ中におけるet al.の手法を用いた溶発計算に関しては，本誌 Vol. 52 に詳

ペレットの溶発に関する理論研究がすすめられてきた．現

細な研究論文がある［２４］．プラズマの温度，密度分布を線

在最も広く使われており，高温プラズマ中でのペレットの形分布と仮定することによって，式（２）から次式に示すペ

溶発に関する理論モデルの原型となる中性ガス遮蔽

レット侵入長のスケーリング則［２５］が導出できる．

（NGS）モデルは１９７０年代後半に P.B. Parks et al.［２］
および

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S.L. Milora et al.［３］によって提唱された．図４は磁場に閉じ込められた高温プラズマ中におけるペレットの溶発挙動の

（３）

ここで，$
"
"，!,!，$,!，#/,.，'/,.は，それぞれプラズマ半径

概念図を示す．NGS モデルではプラズマに高速で入射されたペレットが背景プラズマからの熱流束によって加熱さで規格化した侵入長，中心電子温度［keV］，中心電子密度

れ，溶発した中性粒子がペレット周囲に音速で発展する溶［１０２０ m−３］，ペレット質量［1020 atoms］，ペレット速度［m発雲を形成し，プラズマからペレットへ入射する熱流束を/s］である．この侵入長スケーリング則は単純な仮定のみ自己遮蔽するというメカニズムで説明されており，溶発雲を用いた簡易なものであるが，様々なプラズマ実験装置にの外側に磁力線に沿って拡がる高密度プラズモイドの存在おけるペレット入射実験で観測された侵入長と比較的良いは考慮していない．溶発雲は中性であり，溶発の素過程は一致を示しており［２５，２６］，プラズマへのペレットの侵入

ペレットの入射速度に比べて時間スケールが十分に短い現長をおおまかに推定するためのツールとして使用できる．

象であることから，溶発雲はペレットを中心として定常的

上記のような単色エネルギーの電子による溶発のみを考に球対称に発展すると仮定し，溶発雲に対する１次元の流慮した単純な NGS モデルで，ペレット入射実験におけるプ体方程式が質量保存・運動量保存・エネルギー保存の各方

ラズマへのペレットの侵入長（ペレット寿命）を比較的良程式および理想気体の状態方程式によって記述される．背く説明できることが報告されている一方で，NGS モデルと景プラズマが熱化していると仮定すると，イオンによる熱実験結果の系統的な相違が見られる場合もある．例えば，流 束 は 電 子 の そ れ に 比 べ て，質 量 比 の 平 方 根

高エネルギー中性粒子ビーム加熱（NBI）による高速イオン

（%#-"
!
#,#%#
)）分の一に減少することから，初期の NGSや RF 加熱による電子やイオンの高エネルギーテール成分

モデルでは，イオンのペレット溶発におよぼす役割は無視が多く存在するプラズマでは，高エネルギー粒子が溶発雲し得ると仮定し，電子からの熱流束のみを単色エネルギーでは遮蔽しきれずペレットまで到達するために，熱化プラと単純化してモデル化している．

ズマのみを考慮した NGS モデルでは説明できない．そこ"&，背景プラズマの温度範
次式は溶発雲の比熱比を ##(で，より実際の溶発環境を考慮したモデリングを行うため

囲を !,#1−30 keV と仮定した場合の，P.B. Parks et al.

に，NGS モデルをベースとして，それを修正，拡張した数によって導き出された球状ペレットの半径減少率のスケー

多くの溶発モデルが提唱されている［２７］．その中で主に考リング則である．

慮されているのは，背景プラズマ中のエネルギー分布，高

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エネルギー電子およびイオン，電気的に中性の溶発雲が電（２）離して磁力線に沿って広がることによって形成される高密度の溶発プラズモイドによる熱流束の遮蔽効果，等があ

ここで，%，!,$，$,$ は，それぞれペレット半径［m］，/,.

る．しかしながら，より詳細な物理過程を考慮したモデルによって，あるペレット入射実験における溶発挙動を再現できたとしても，必ずしも広く他の実験結果も再現できるとはいえないことも多く，未だに単純な初期の NGS モデル
が最も一般的に使用されている．このモデル計算と実験観測の不一致は，モデリングの不完全さのみならず，モデル計算やその評価に必要なプラズマ分布，ペレット溶発分布等の実験データが不十分であることにも起因していると考図４

えられ，より詳細なモデリングのためにはペレット入射実

中性ガス遮蔽（NGS）モデルの概念図．原型となる NGS
モデルでは溶発プラズモイドやイオンによる熱流束がペレットの溶発挙動に及ぼす影響は考慮していない．定量的な評価のためには，これらによる影響を考慮する必要がある．

験における溶発にかかわるプラズマ計測の高度化も必要で
ある．

５６３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.6 June 2007３．
２ ペレット溶発プラズモイドのドリフトを利用した粒
子供給ペレットの溶発挙動に加えて，溶発プラズモイドの低磁場側（大半径外向き）へのドリフト現象が実効的な粒子デポジションを決定づけていることが明らかになっており，
ペレットの溶発現象のみならず，その後の溶発プラズモイ
ド の 挙 動 を 理 解す る こ と の 重 要 性 が 認 識 さ れ て い る．
ASDEX-Upgrade において，通常のトーラス外側（低磁場側）からのペレット入射ではペレット粒子の吐き出しが観測され［５］，粒子供給効率が低下するのに対して，トーラス
内側（高磁場側）からのペレット入射を行うことによって粒子供給効率が劇的に改善された［６］．同様な現象はその後，DIII-D［２８］，JET［２９］，JT-60U 等でも確認され，トカ
マク装置では一般的な現象であることが明らかになっている．また，DIII-D［３０］や LHD
［３１］ではペレットの溶発分布に関しては NGS モデル計算と実験結果が一致している一方で，ペレット入射直前直後の密度分布の差から求められ

図５

ペレット溶発プラズモイドの E ×B ドリフトモデルの概念
図．

図６

２次元シミュレーションで得られた，E ×B ドリフトによって変形した溶発プラズモイドの （a）特徴的な領域を示す
概念図，（b）密度分布，（c）電位分布［３４］．

る実効的な粒子デポジション分布が溶発分布よりも低磁場側に大きくシフトしていることが観測されており，溶発位
置からの低磁場側（大半径外向き）へ向けたペレット粒子の急激なドリフトが示唆されている．さらに，ASDEXUpgrade［３２］や RTP［３３］では光ファイバアレイを用いた観測により，ペレット溶発位置から低磁場側に向けたプラ
ズモイドのドリフトを分光的に直接観測している．
このような溶発プラズモイドの低磁場側（大半径外向き）
へ の 急 激 な ド リフ ト 現 象 を 説 明 す る 物 理 機 構 と し て，
［３
４，
３５］．
""!ドリフトモデルが最も受け入れられている""!ドリフトモデルの概念を図５に示す．ここでは大半
径 #に反比例するトロイダル磁場強度を仮定し，溶発プラ
ズモイドの密度，温度，質量，背景プラズマの密度，温度を，それぞれ (!，$!，'!，(&，$& としている．'! ドリフトによる垂直電流は&'! #(!$!!(&$& )，
"(
#!

（４）

で与えられ，垂直方向の電場が生じる．簡単のため，開回）と，この電流は逆向きの分路条件を仮定する（図中 &*#!
極電流(!'! $"
，
&
&#
!" $)

布を示す．ペレット近傍の領域 I は溶発した粒子が電離し，（５）

mass-loading 電流を生成しながらドリフトを開始する領域で補償され，&&から ""!ドリフト速度 %
'! #&
$は
$"
"!& "($%$(!$!!(&$& )，$ $) " %
#(!'!
$)
!

である．なお，mass-loading 電流は荷電粒子が移動するとき，プラズマ源がある場合に発生し，宇宙プラズマでは重要なプロセスである．ここでは，&'! を補償するために，電（６）場形成が抑制されるが，完全に補償するほどではないので与えられ，プラズモイドの圧力に比例し，時間とともにで，あまり重要とはならない．マッシュルームの柄（stem）

増大するドリフト速度が予測される．この溶発プラズモイ

やかさ（cap）に対応する領域 II や領域 III には粒子源が無ドのドリフト挙動に関する単純な物理描写の妥当性は，以いので，&&のみで補償される必要がある．粒子源近'! は &

下で説明する２次元 MHD 方程式を用いたシミュレーショ

傍の領域 I および II では，ペレットが溶発，電離した粒子

ンによって確かめられている［３４，３６］．図６は ""!ドリフが ""!ドリフトによって時間的に一定に流れ，それゆえトによってマッシュルーム形状に変形したプラズモイドの

電場も時間的に一定となっている．領域 II ではプラズモイ（a）特徴的な領域を示す概念図，（b）密度分布，（c）電位分

ドは等電位面に沿って移動し，最大電位差部 *
%#
'を過ぎて
５６４

Commentary

Solid Hydrogen Pellet Fueling on Magnetically Confined Fusion Plasma

R. Sakamoto and M. Hoshino

等電位面が発散する位置でプラズモイドは最大電位部を巻によって，分離したプラズモイドは 2−4 km/s 以上の速度

くように回転し cap 形状の領域 III が形成される．領域 IIIに加速されていることが確かめられている．

は非定常であり，電場が時間とともに増大して加速を続け

このように，実験で得られた溶発プラズモイドの挙動はる．その結果，領域 II は細く長く伸び，最終的には分離し，"!!ドリフトモデルによって定性的に説明できる．しか領域 III は単独のプラズモイドとして振る舞うようになる．

しながら，上記の "!!ドリフトモデルでは単純な物理描

この領域IIIの分離と見られる現象が，実験でも高速カメラ

写をするために孤立したプラズモイドを仮定しているためによって観測されている．図７は TEXT において，露光時に現実的ではない部分もある．定量的な議論のためには，

間 200 ns のフレーミングカメラを用いて観測されたペレッ式（６）に加えて磁力線に沿ったアルヴェン波の伝播 #%にト溶発プラズモイドの振る舞いである［３７］．#%"4 μs でペよって溶発プラズモイド中の分極が制限される影響［３５］，レット溶発プラズモイドが分離を始め，#%"7 μs ではプラ

磁力線に沿って伸展した溶発プラズモイドの長さが $$"ズモイドが明らかに分離し，ペレット進行方向とは逆向きに達するとプラズモイドの両端が接続し，$! ドリフトがすなわち低磁場側へおおよそ 4 km/s に加速しているのが直接補償される影響［３４］，磁力線に沿って伸展した溶発プ

わかる．同様な溶発雲の分離加速は LHD においても観測

ラズモイド断面が回転変換のシアーによって分散する影響されている．図８は LHD において，フレームレート 20［３９］等を考慮した減速項を付け加える必要がある．これら

kHz，露光時間 2 μs の高速ビデオカメラにて観測された溶の現実的なドリフト挙動を考慮した数値計算によって，

発プラズモイドである．ステレオ法による３次元観測［３８］DIII-D，ASDEX-Upgrade の実験で観測されたプラズモイ
ドのドリフトを再現できることが報告されている［３９‐４１］．
これらの解析では固定された背景プラズマ中における溶発プラズモイドの挙動のみを解いているが，溶発プラズモイ
ドのドリフト挙動と同時に溶発プラズモイドの背景プラズ
マへの吸収過程も自己無撞着に解く試みもなされている［４２］．
これらの "!!ドリフトモデルは，大半径に反比例した
磁場強度分布（!$#"""）を仮定した２次元モデルであるため，３次元の磁場構造を持つヘリカル装置に直接適用することはできない．実験的にもヘリカル装置（LHD）ではペレット入射位置の磁場構造が実効的な粒子デポジション分
布におよぼす影響が表れず，溶発プラズモイドのドリフトによる影響が明確ではない［４３］．一方で，高速カメラによる溶発プラズモイド観測では，トカマク装置と同様なプラズモイドの分離・加速現象が見られている．よって，局所

図７

的には共通の物理機構が働いていると考えられ，磁場構造

TEXT で観測された溶発プラズモイドの分離，加速現象．
#t ＝ 4 μs からプラズモイドが分離を始め，#t ＝ 7 μs では
1.2 cm ほど後方（ペレット速度 Vpellet は図中下向き）に観測されており，約 4 km/s で加速されている［３７］．

の３次元性を考慮した "!!ドリフトモデルの構築により，ヘリカル装置におけるグローバルな粒子供給特性が説明できると考えられる．また，異なる磁場構造の装置でモデルの検証を行うことによって物理機構の理解も進むと期待される．

４．まとめと今後の展望
本解説ではペレット入射による核融合プラズマへの粒子供給法の基礎となるペレット入射技術，および高温プラズ
マ中におけるペレットの溶発と "!!ドリフトモデルによる溶発プラズモイドの移動を考慮したペレット粒子のデポジションについて紹介した．溶発プラズモイドのドリフトを用いた高温プラズマへの中心粒子供給法の発見によって，ペレット入射速度の高速化が必然でなくなり，ペレッ
図８

LHD で観測された溶発プラズモイドのステレオ像．これらの画像はペレット入射軸のほぼ後方から撮影している．L
側画像と R 側画像で，溶発プラズモイドと分離したプラズ
モイドの相対位置が異なっているが，これらの左右画像の視差から奥行き方向の情報が得られ，３次元位置の推定が可能である．なお，コントラストを強調するために白黒反転している．

ト入射装置への技術的要求はかなり緩和され，ITER での使用を想定したペレット入射装置も既存の技術の延長で設計が可能となった．P.B. Parks によって開発された "!!
ドリフトを考慮したペレット粒子デポジションコードを用
いて ITER における粒子デポジション分布を評価したとこ!
#よりろ，高磁場側からのペレット入射を用いると，%"!
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.6 June 2007

［１９］J.A. Urbahn, The design and performance of a twenty barrelhydrogen pellet injector for Alcator C-Mod (Massachusetts
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外側でペレットが溶発しているにもかかわらず，溶発プラ!
"程度まで粒子を供給
ズモイドのドリフトによって "!!
できることが示されている［４４］．一方で，溶発や溶発プラ
ズモイド挙動の実験的把握については，時間的にも空間的にも高分解能な計測が必要であることから，明らかになっていないことも多い．燃焼プラズマへの粒子供給は，核融合研究において本質的な課題であり，より正確な粒子供給
シナリオの策定が必要である．今後，実験的に溶発や溶発
プラズモイドの挙動を明らかにし，それらを説明し得る物
理機構に基づく理論モデルの構築が望まれる．

参考文献［１］L.W. Jo/rgensen et al., Plasma Pysics 17, 453 (1975).
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の LHD 実験では高温プラズマにおける粒子制御に関する実験研究に従事．核融合炉における燃料供給法の確立を目指
し，固体水素ペレット入射実験を中心として研究を進めている．

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核融合科学研究所大型ヘリカル研究部准教
授．工学博士．１
９９
６年に九州大学大学院総合理工学研究科博士課程修了後，核融合科学研究所のLHDの立ち上げに参加．その後

ほし

の

みつ

やす

星 野 光 保名古屋大学大学院工学研究科エネルギー理
工学専攻・博士後期課程３年．研究テーマ
は「高温プラズマ中での固体水素溶発の理解」で，学生としては珍しい燃料供給の分
野において日々貴重な経験を積ませていただいていると感じます．修士課程から LHD において研究させていただき早４
年．この山の上での暮らしにも慣れ，どこに行っても生きていける自信を持てるようになりました．趣味は海外サッカー
観戦です．

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もと りゅう いち!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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さか

坂 本 隆 一!!!!!!!!!!!!!!!!

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