J. Plasma Fusion Res. Vol.98, No.10 (2022)４
２９‐４３８

解説

燃料粒子制御に向けた磁場閉じ込め核融合プラズマにおける粒子排気のこれまでとこれから
Particle Exhaust in Magnetic Confinement Fusion Plasmas
for Particle Control: Past and Future
本島

厳

MOTOJIMA Gen
核融合科学研究所（原稿受付：２
０
２
２年７月２
２日）

本解説では，粒子制御に向けたこれまでの取り組みとして，主として粒子排気という視点に立ち，プラズマ
対向壁の燃料粒子吸蔵，放出現象のほか，ダイバータによる効率的な燃料排出について筆者が行ってきた研究を中心に紹介する．また，粒子制御を行うための重要な計測手法として，中性粒子圧力計測の一つである高速イオ
ンゲージ開発の進展についても触れる．そのほか，燃焼プラズマで想定される水素同位体，ヘリウム混合プラズ
マ中の同位体分離や，効率的な粒子排出を可能にする粒子制御手法についても紹介し，これからの粒子制御に向けた展望を述べる．
Keywords:
particle control, divertor pumping, fast ion gauge, neutral particle

１．はじめに−粒子制御についてれている．有名な事例として欧州トーラス研究施設（Joint

皆さんは，核融合プラズマにおける燃料粒子制御をどの

European Torus）JET で 行 わ れ た 実 験 結 果 を 紹 介 し よように捉えているだろうか．読者の中には，例えばガスパ

う．JET ではタングステン壁化した場合，壁の粒子吸蔵量

フなどの燃料供給法により，簡単に密度制御できると思っが炭素壁に比べて 1/10 になっていることが報告されていている人もいるかもしれない．ここで，プラズマの線平均

る［１］．これは，炭素とベリリウムによる燃料粒子の共堆

電子密度をある値に維持する場合を考えてみよう．ガスパ

積の違いによって説明されている（共堆積とは，堆積層がフや固体水素を使って，ある密度になるまで燃料粒子を供形成される際に燃料粒子を取り込む現象のことを言う）．

給し，かつ真空ポンプで電離しなかった（または，再結合

材料学的にはベリリウムとタングステンは炭素と比べて水して中性化した）燃料粒子を真空容器外へ排出しつつ，干素同位体との化学的親和力が低く，蓄積しにくいと予想さ

渉計などの電子密度計測信号によるフィードバック制御をれていたが，大型実験装置で実際に検証された例として大すれば，少なくとも平均密度は制御できるはずと思われるきな意義をもつ結果である．また，プラズマ境界力学実験かもしれない．しかしながら，実際はそう簡単な話にはな

装置 QUEST では壁温による壁の吸蔵量の違いが調べられらない．その最も大きな理由は，真空容器第一壁あるいはている［２］．壁温が２００℃の場合は，５分間のプラズマ放電

ダイバータ板といった，プラズマ対向壁（ここでは壁と言で燃料供給粒子のほとんどが，真空ポンプにより排出さう）による燃料粒子吸蔵，放出現象が起こるからである．

れ，壁への吸蔵がほとんど見られないのに対し，壁温が壁の粒子吸蔵，放出の絶対量が粒子供給量に比べて無視で１２０℃の場合は，５分間のプラズマ放電で，真空ポンプによきるような状況や，絶えず一定量の粒子を吸蔵（放出）すり粒子が排出されず，壁に粒子が吸蔵される．このように，るような状況を作り出すことができれば，確かに密度制御

壁温の違いによって，粒子の吸蔵特性が大きく変わりうるは簡単だと言えるかもしれない．しかしながら，壁の粒子ことがわかる．これまでに説明した背景を至極簡単な式で吸蔵，放出特性は，壁の材料によって大きく変わるほか，

表現すると，式（１）で表すことができる．

壁温にも大きく依存するので，壁の条件を絶えず一定にで!!%'$&#!"!!("&&#!
!!!!)#!

きなければ，壁の粒子吸蔵，放出特性は一定にすることが（１）

できない．そういった観点では，壁の材料，温度の選択は粒子制御にとって重要である．例えば，壁が炭素壁か金属

ここで，!%'$&は外部燃料供給レート，!("&&は壁の吸蔵ある

壁かで壁の粒子吸蔵量が大きく異なっていることが報告さ

いは放出レート，!!)は真空ポンプで粒子排気レートを示

National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japanauthor’s e-mail: motojima.gen@nifs.ac.jp

４２９!2022 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.10 October 2022

す（プラズマ中の粒子数は小さいのでここでは無視していしたフランスの Tore Supra が１９９０年代初頭に２０秒を超える）．!%*$'，!!-は，正の値を取るが，!,"''のみ正負どちらる放電 に 成 功 し，１９９６年 に は 約２分 の 放 電 を 達 成 し たの値も取ることができる（吸蔵時は正，放出時は負）．原型［４］．Tore Supra のプラズマ対向壁は炭素部（内側リミ炉における粒子制御では，トリチウムインベントリ（壁にター），ステンレス部ともに水冷されており，実験前には蓄積するトリチウム）抑制の観点および定常運転の観点か

２００℃ベーキングとグロー放電による真空容器壁のコン

ら壁の粒子吸蔵がない，いわゆる壁が１００％粒子をリサイ

ディショニングが行われた．また，長時間放電に対応した

クリングすることが望ましい．そうなると原型炉を想定し粒子制御を行うために，１００連発の固体水素ペレット入射

た場合，粒子バランスは式（１）から式（２）に変換され，非装置や，ポンプリミターも備えられていた．同装置はその常に簡単な式を満たす必要がある．

後２００３年にイオン温度 1.5 keV のプラズマを６分以上維持することに成功し，その時の入力エネルギーは１GJ を超え!!%*$'#!#!!!-#!

た［５］．

（２）

長時間放電の例として，大型ヘリカル装置（LHD）にお
ここで，粒子排気として，トーラス外側赤道面に設置されける長時間放電についても概説したい．LHD は１
９９８年からている主排気系ポンプ（!!-("&)）と，ダイバータ部に設置

超伝導コイルを用いたプラズマ実験を開始し，ヘリカル系

されているダイバータポンプ（!!-#&+）による粒子排気を考の特長を活かして長時間放電での実績を上げてきた．MWえる（式（３））．

クラスの定常加熱実験として中心電子，イオン温度 2 keVのプラズマを約４８分間保持し，入力パワー3.36 GJの世界記!!!-#!"!!!- #!
!!!!- #!
("
&
)

#&
+

録を樹立した［６］．LHD のプラズマ対向壁の構成は，第一（３）

壁にステンレス鋼，ダイバータ板と NBI 対向壁に炭素材が主排気系ポンプのあるトーラス外側赤道面では中性粒子が使用されており，異なる材料が使用されている．そのため，

低圧縮である一方で，プラズマ放電時のダイバータではそスパッタリングによって形成される堆積層は金属と炭素のの幾何学的構造を閉塞化することにより中性粒子を圧縮す

混合堆積層（ミックスマテリアル堆積層［７］）となっていることが可能である．従って，同程度の排気速度のポンプ

る．ミックスマテリアル堆積層はプラズマ放電中に形成さを用いれば，ダイバータポンプは，主排気系ポンプよりもれるが，先に述べた共堆積の特性がある．第一壁上の堆積

効率的な粒子排気が可能である．ゆえに，ダイバータによ層の広範囲な形成分布は反射率測定により推定されておる粒子排気の優位性が存在することがわかる．

り，真空容器トーラス外側部において厚い堆積層の形成が本解説では，第２章にて粒子制御に向けたこれまでの取確認できている［８］．また，ダイバータ板上にもストライク

り組みを紹介し，第３章では，粒子制御のための重要計測点から離れた部分において堆積層の形成が確認されていると手法として，中性粒子圧力計測の進展について紹介す［９］．このような堆積層の燃料放出，吸蔵過程は，堆積層のる．第４章では，混合プラズマにおける効率的な粒子排出

置かれている条件に依存する．すなわち，堆積層の温度に手法について過去の事例，最近の事例を紹介する．第５章

よって粒子吸蔵放出特性が変わることが示されているほか

で，これからの粒子制御に向けた取り組みを述べる．

［１０］，ダイバータ材料そのものである炭素も温度によって粒子吸蔵放出特性が変わることも示されている［１１］．ま２．粒子制御に向けたこれまでの取り組み

た，ステンレス鋼部は，ヘリウムグロー放電によるバブル

２．
１ 長時間放電実験におけるプラズマ対向壁の粒子吸蔵，形成などの表面改質が起きると粒子の捕捉サイトになった

放出の研究

り，あるいは吸蔵特性が低減したりと，粒子吸蔵・放出特粒子制御に向けた取り組みとして，磁場閉じ込め核融合

性は複雑化する［１２，１３］．

プラズマにおけるこれまでの長時間放電実験の歴史を，粒

ここで，LHD におけるイオンサイクロトロン加熱（ICH）

子制御研究のアウトカムの一つとし て 振 り 返 っ てみた

および電子サイクロトロン加熱（ECH）による，ヘリウム

い．１９８０年代に超伝導トカマク装置が誕生し，RF を用いたを燃料粒子とした長時間放電を例に挙げる．図１に放電例

電流駆動による長時間放電実験が本格化してきた．九州大を示す．図１（a）のように，ターボ分子ポンプのみの排気を

学の TRIAM-1M では，１
９９８年に１時間のトカマク放電を行った約２分間の放電に対し０次元グローバル粒子バラン達成した．その後は毎年記録を更新し，２００３年には５時間

ス解析を行った結果，ガスパフした燃料粒子のほぼすべてを超える放電時間を達成している［３］．当時のプラズマ対が壁に吸蔵されていることがわかった［１４］．ここで，プラ

向材料の主流は炭素材であったが，TRIAM-1M では，モリズマ内の粒子数および真空容器内の中性粒子数は無視でき

ブデン，ステンレスを中心とした高Z金属壁が採用された．

るほど小さい．ガスパフした燃料粒子（48 Pam3）のうち，この金属壁における一連の長時間放電実験で，粒子リサイ

９６％が壁に吸蔵されていることになる．なお，この壁へのクリングが，壁温によって大きく影響を受け，金属壁が粒

吸蔵量は，動的吸蔵（比較的弱い捕捉で表面に吸着された

子吸蔵源から粒子放出源に転移することを実験で示した．

燃料粒子がプラズマ放電後に放出される）も含めたものでまた，炭素壁の実験装置で見られていた共堆積効果によあり，放電終了後の粒子バランス解析を行うことにより動り，金属壁でも粒子吸蔵が完全に飽和することが無いこと

的吸蔵量は約 21 Pam3 と評価された．最終的に，ガスパフを初めて明らかにした．炭素壁の実験では，１９８６年に完成で導入した燃料粒子のうち，５６％（27 Pam3）が，放電終了
４３０Commentary

図１

Particle Exhaust in Magnetic Confinement Fusion Plasmas for Particle Control: Past and Future

G. Motojima

LHD における長時間放電における粒子バランス解析結果．（a）
は２分間，（b）
は２８分間，（c）
は４８分間の放電を示す．黒色は燃料ガス
パフ量，赤色は壁の粒子吸蔵量，緑色は真空ポンプによって排出された量を示す．

後も壁に吸蔵されていることになる．今度は，図１（b）にきる．JT-60U ではダイバータ排気を活用した実験も行わ

示す よ う に，放 電 時 間 を２８分 間 に し た 場合 を 見 て み る

れており，ダイバータ排気によって MARFE（トーラス内と，２分放電と同様に最初の放電フェーズでは粒子が吸蔵側のプラズマ表面近傍の領域に局在して放射損失が強まる

されるが，その後，壁による粒子吸蔵が飽和し，粒子が放現象）が消滅した事例が報告されている［１７］．

出されるフェーズが出現する．さらに，図１（c）に示すよう

ここでは，LHD のダイバータ排気に関する実験結果を紹に，クライオポンプを用いた４８分間の ICH+ECH 長時間放介して，ダイバータ排気がいかに粒子制御性の向上に寄与

電において粒子バランス解析を行ったところ，壁排気はさし得るのか述べる．LHD ではトーラス内側のダイバータをらに動的な変化を見せ粒子吸蔵フェーズが再出現する．粒

閉構造化することにより中性粒子の高圧縮化が可能になっ子の吸蔵・放出特性は，主に３つの段階に分けられる．第た［１８］．そこで，ダイバータ内に設置可能な高圧縮された

１段階（０−３００秒）では，２分間の放電と同様，燃料粒子

中性粒子を効率的に排気できるような真空ポンプの開発をの壁への吸蔵が見られ，その後，第２段階（３００−１５００秒）

行い，実験に導入してきた．真空ポンプの開発については

では，壁への吸蔵が抑えられ，壁からの燃料粒子放出も見３．
３にて詳細に述べるが，概要は次の通りである．真空ポンられる．しかしながら，第３段階（１５００秒−放電終了）でプには活性炭を用いたガス吸着型のクライオポンプを採用

は再び壁への吸蔵が見られる．このような動的な粒子吸した．排気コンダクタンスを増大するための構造検討，R蔵，放出特性は，LHD のような異なる材料から構成される&D による高性能活性炭の選択，クライオパネル配置の工プラズマ対向壁が一因であると考えられる．すなわち，ミッ

夫により排気面積を増加し，大きな排気速度と容量を得た

クスマテリアル堆積層形成は共堆積によりプラズマ放電中ことが主要な成果として挙げられる．開発した高性能クラ一定の粒子吸蔵を担うが，ダイバータ板に蓄積された粒子

イオ吸着ポンプを LHD トロイダル５セクションの閉構造

は，ダイバータ板の温度とともに吸蔵から放出へと転じる

ダイバータ内部に設置した．クライオポンプを含むダイと考えられる．この実験では，試料駆動装置を用いた材料

バータの断面図を図２に示す．高性能ダイバータポンプの試料へのプラズマ照射実験も行っており，グローバル粒子

排気速度は約 70 m3/s となり，主排気系ポンプと同程度とバランスの解析結果と材料試料分析結果について定量的なすることができた［１９］．また，排気容量は 58,000 Pam3 と比較を試みた結果，ともに矛盾のない結果が得られている

なり，水素ペレット約２
００, ００発分に相当するまで向上させ［１５］．このような粒子吸蔵放出特性の動的変化は粒子制御る事ができている．これは，LHD 高密度実験の２０日分に相にとっては避けなければならないものであり，堆積層の形

当するものであり，十分な排気容量を持たせることができ成をいかに防ぐかが一つの重要な課題であると言える．

たことになる．この高性能化により，プラズマ放電中に全２．
２ ダイバータ排気を用いた粒子制御

燃料供給量の５０％を排気するまでに至っている．LHD の主粒子制御性を高めるためには，壁の粒子吸蔵に頼らない

真空排気系は全燃料供給量の５％を排気しているので，ダイバータによる排気量はその１０倍に値する［２０］．

強力な粒子排気を実現する必要があることは先に述べた通りである．JT-60U の４
０秒 ELMy-Hmode 放電では，固体水

上記の高性能ダイバータ排気を，LHD のプラズマ実験に素ペレットおよびガスパフにより密度を一定にする制御が適用した結果，壁でのリサイクリング率の低減が可能と行われたが，放電後半に壁の粒子吸蔵が飽和して粒子放出なった．リサイクリング率（!）は一般的には，プラズマかに転じ，燃料供給による密度制御が不能となり密度が上昇

ら壁に入った燃料粒子の内，再びプラズマ中に戻る粒子のする結果となっている［１６］．長時間の粒子制御を確立する

割合を示す．ゆえに，リサイクリング率の低減は，ダイ

ためには，壁の粒子吸蔵に頼らない積極的な粒子排気が必

バータ排気により壁へ吸蔵される燃料粒子量を低減するこ要である．そこでダイバータ排気の活用が考えられてきとができたことを意味する．ここで，リサイクリング率をた．先に述べた通り，ダイバータ排気では，ダイバータ部

含む粒子バランスは下記の式（４）で表すことができる．

での中性粒子圧力を高めることで，効率的な排気が期待で
４３１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.10 October 2022

図２ （a）
高性能化された閉構造ダイバータ断面図および（b）
真空容器内に設置された閉構造ダイバータ．

##$ $!#$"" ""
"
%
($&
!
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'
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$! $"! $""%($&
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#$
$! #
""%($&，!
'（４）#$はプラズマの線平均電子密度，!
'はプラズマの粒子閉じ
込め時間，""，"%($&はそれぞれリサイクリングに関する項，
燃料供給による粒子源に関する項を示す．密度の時間変化
は，リサイクリングを考慮した実効的粒子閉じ込め時間#!
' を用いて表すことができる．燃料供給による粒子源が無

図３

視できる場合は，実効的な閉じ込め時間は，下記のように

クライオ排気有無における実効的な粒 子 閉 じ 込 め 時 間
＊
（!
［１
９］
より引用．
p ）と密度の関係．文献表すことができる．
#
!
' $!

#$
．
##$
#$

素のプラズマへの侵入長が短くなる実験結果も得られてい（５）

る．これは，ダイバータ排気によりプラズマの周辺密度が下がる一方，周辺温度が上がったことにより，固体水素の#
また，!
'が不変であれば，!
' と !は一対一関係となり，!

溶発が促進されたことが原因と考えられる．ダイバータ排##が大きければ !
'は大きくなり，!が小さければ !
'は小さく気によって，固体水素のバルクプラズマへの吸収分布が変なる．

わることも興味深い結果である．

!
!$!! '#．
!
'

次に，ECH４０秒長時間放電においてもダイバータ排気を適用し，粒子制御性が向上した結果を示す［２２］．図４に時（６）間発展を示す．ダイバータ排気がない場合，プラズマ電子

ここで，LHD のダイバータ排気を使った場合の実効的な密度（#$%2×1019 m−3）がガスパフ燃料のみによるフィー

粒子閉じ込め時間を図３に示す．ダイバータ排気が有る場

ドバックでは制御できず，放電途中で放射崩壊に至った一#合は，無い場合に比べて，短い !
' が得られている．これは方，ダイバータ排気がある場合，ガスパフにより安定した

低リサイクリング状態が観測されていることを示すもので電子密度を維持することが可能となった．粒子バランスをある．すなわち，低密度へのアクセスがダイバータ排気に評価した結果，ダイバータ排気によって主排気系ポンプによって可能となったことを示している．例えば，低リサイ

比べて５０倍の粒子排気量の違いを生んでいることがわかっ

クリング状態を必要とする，高イオン温度実験では第一壁

た［２３］．ダイバータ排気は中性粒子を圧縮し，効率よく粒のコンディショニングが必要であり，ECH 放電洗浄により子排気できていることを示している．また，図４（h）
は壁第一壁を低リサイクリング状態とすることが高イオン温度の吸蔵量とガスパフ量の比をとったものである．これを見を達成するための一つの要因となっている［２１］．効率的なると，ダイバータ排気がない場合は，その比が放電途中でECH 放電洗浄がダイバータ排気で可能になったことを示負に切り替わっており壁リサイクリングが支配的になってす結果も得られており，ダイバータ排気を用いた高イオン

いる．一方，ダイバータ排気がある場合は，その比が一定

温度実験等への寄与も確認されている［２０］．また，低リサとなり，壁の粒子吸蔵の飽和を避けることができ，壁リサ

イクリングをダイバータ排気によって達成できたことにイクリングによる粒子供給過多の状態を防ぐことができてよって固体水素ペレット入射による燃料供給の際の固体水いる．最近では，熱輸送解析の結果，ダイバータ排気は周
４３２

Commentary

図４

Particle Exhaust in Magnetic Confinement Fusion Plasmas for Particle Control: Past and Future

G. Motojima

ダイバータ排気有無における LHD の ECH４０秒放電例．（a）
ECH パワー，（b）
蓄積エネルギー，（c）
線平均電子密度，（d）
輻射パワー，（e）
中心および周辺密度，（f）
中心および周辺温度，（g）
ガスパフ量，（h）
壁の吸蔵量／ガスパフ量．文献［２
２］
より引用．

辺プラズマの熱伝導率に影響を与えないものの，電子内部輸送障壁の生成によりプラズマコアの熱伝導率を下げていることがわかった［２２］．このことは，ダイバータ排気によるリサイクリングの低下によりプラズマ周辺部の中性粒子の密度が減少した結果，プラズマコア部の熱輸送が低下したことを示している．プラズマコア部の輸送が周辺部のパラメータの影響を強く受けるという，プラズマコア・周辺の相互作用現象として物理的に興味深い結果であり，今後の研究の進展が期待される．
図５

３．粒子制御のための重要計測と手法：中性粒子
圧力計測の進展
３．
１ 周辺中性粒子圧力計測−さまざまな真空計

様々な真空計とその測定範囲．詳細は，http://www.nucleng.kyoto-u.ac.jp/people/ikuji/edu/vac/chap3/gauge.
html が参考になるだろう．

粒子制御を行う上で，ガスパフ，あるいは壁の粒子放出

おける中性粒子計測として，重宝される．一方，真空計のはプラズマの周辺から粒子が供給されることから，周辺中計測として考慮しなければならないことは，各ガス種に性粒子をいかに制御するかが重要なファクターとなる．こよって感度が異なる点である．純度の高いプラズマであれ

こではそのために重要な，周辺中性粒子圧力計測を紹介しば，感度較正係数を考慮して中性粒子圧力を測定すること

たい．核融合プラズマ実験における中性粒子計測として，ができるものの，混合プラズマであればどのように感度較

様々な真空ゲージが使用されている．簡単に図５に纏めて正係数を決めるべきなのか，難しいところである．全圧をいる．例えば，冷陰極電離真空計は，コールドカソード

測定することができる隔膜真空計を併用することも考えら

ゲージとも言われており，超高真空の測定にも使用可能でれるが，隔膜真空計は，高真空，超高真空下での精度が期ある．冷陰極電離真空計は，陰極―陽極間に高電圧を印加待できず，超高真空まで全圧を較正できる具体的な解決策

し，プラズマ放電すると陰極から電子が放出され，中性粒があるわけではない．また，磁場閉じ込め実験装置では，子との衝突により，イオンを発生させ，イオン電流を計測

外部磁場による擾乱が電離真空計に及ぼす影響についてもすることにより圧力を測定するものである．一方，熱陰極考慮すべき点である．適切な磁場遮蔽を行い，実験に適用

電離真空計は，ホットカソードゲージとも言われており，することが求められる．次の節では，磁場中の中性粒子圧

中性粒子を電離させるための電子は，加熱したフィラメン

力を測定できる真空計として，磁場閉じ込め核融合研究か

トから生成される．いずれの真空計も高真空，超高真空にら発展していった熱陰極ゲージである，高速イオンゲージ
４３３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.10 October 2022

について解説する．

流す必要がある．しかしながら，プラズマ実験中の磁場に３．
２ 中性粒子圧力測定法である高速イオンゲージの進展

より，フィラメントに J×B による力が働き，フィラメント

高速イオンゲージは「高速」と名がついている通り，時の形状が変形する事例が多数報告されている［２５］．フィラ

間応答に優れており，0.2 msec の時間分解能で中性粒子圧

メント形状が変形すると，フィラメントが信号電極に接触力を計測できる（例えば，隔膜真空計は一般的に数十 msec

して短絡し，適切なイオン電流を測定することができなくの時間分解能とされる）．この時間分解能は，ELM（Edge

なり，計測不能に陥る．高速イオンゲージはダイバータな

Localized Mode）と呼ばれるプラズマ周辺部の不安定性のど狭隘部にも設置することができ，ダイバータ内の中性粒計測のために求められた．高速イオンゲージは，フィラメ

子圧力を測定するのに重宝されるものの，一度測定できな

ント，コントロールグリッド，加速グリッド，イオンコレ

くなれば，真空排気中（プラズマ実験中）にフィラメント

クターから構成されており，これらの電極を，磁場と平行を取り替えることができないため，修理できない難点があ（±２５°まで許容できる）に設置することで荷電粒子のラー

る．高速イオンゲージを計測に使ったことのある研究者

モア運動の影響を受けずにイオン電流を収集することがでは，一発勝負の測定に疲弊した経験がきっとあるはずであきる．図６にゲージの概略と電極間の電位プロファイルをる．そうした中，安定に中性粒子圧力を測定するための新示す．

しいフィラメントを用いた研究が進められている．フィラ

電流を流すことで加熱されたフィラメントから放出されメントの劣化を防ぐためには，フィラメントに働く J×B

た電子は，加速電極とフィラメント間の電位勾配によってによる外力をできるだけ防ぐ必要がある．すなわち，フィ加速される．中性粒子の電離により発生したイオンはイオ

ラメントに流す電流を小さくすればよい．そこで，最近でンコレクターで収集される．フィラメントから加速グリッは，新しいフィラメント素材として六ホウ化ラ ンタン

ドへの電子束は，コントロールグリッドの電位をフィラメ（LaB6）を使った高速イオンゲージが開発されている［２６］．

ント電位よりも高い電位から低い電位へ高周波で掃引する

LaB6 は高い電子放出率，低い仕事関数，高融点材料であことによりチョッピングされる．フィラメントからの電子り，電子顕微鏡に必要な電子線源として用いられている

束がコントロールグリッドを越えない間に，測定したバッが，意外にも高速イオンゲージのフィラメントとして適用

クグラウンドプラズマによるイオンコレクター電流のオフ

されたのは最近になってからのことである．LaB6 フィラメ

セットを差し引くことで，ゲージ内の中性粒子の電離のみ

ントの両側に，高配向性熱分解グラファイトが取り付けらからの正味のイオン電流を得ることができる．イオンコレれており，低電流（オーミック加熱）でフィラメントの温クター電流を加速電極で測定したエミッション電流で規格度を上げられない分，グラファイトの温度を上げて間接的化すると，その値は中性粒子数の指標として使用できる．

にフィラメントの温度を上げる処置がなされている．ドイ

高速イオンゲージの最大のメリットは，磁場中で使用できツのステラレータ装置である W7-X では４
０時間に渡ってプることである．一方で，高速イオンゲージの課題として，

ラズマ実験に適用し，安定に動作していることが確認され使用中のフィラメントの劣化が挙げられる．高速イオンている．LHD でも国際共同研究により LaB6 を使った高速ゲージは，通常，直径が 0.6 mm 程度のトリウム入りタング

イオンゲージの測定が行われている．国際熱核融合実験炉

ステン（２％トリウム含有）を使ったフィラメントが用い

ITER など将来の核融合プラズマ実験装置への適用に向られている．高速イオンゲージは，古くは１９９８年頃から

け，フィラメントの材料あるいはゲージの構造を最適化す使用されてき て おり，初 め て 使 用 さ れ た 装 置 に 因んでるなどして，高速イオンゲージの開発は現在も精力的に行

ASDEX ゲージとも呼ばれる［２４］．中性粒子圧力を測定す

われている．

るためには，陽極電極で 200 μA 程度の電子電流を必要と３．
３ ダイバータにおける粒子排気のための真空ポンプの開発

し，通常18 A程度までタングステンフィラメントに電流を磁場閉じ込め核融合装置において，溜め込み式の真空ポンプであるクライオポンプは，大きな排気速度が得られ，かつ磁場環境中でも使用しやすいこともあって，さまざま
なプラズマ実験装置で使用されてきた．現在建設が進んでいる ITER［２７］，ファーストプラズマが待たれる JT-60SA［２８］，強制冷却ダイバータ板およびダイバータ排気を用いたプラズマ実験を予定している W7-X
［２９］でもダイバータ
排気にはクライオポンプが採用されている．クライオポン
プは，排気中に吸蔵した水素燃料や不純物を保持しているが，保持した粒子を放出させることで，再度排気させることができる．そのためには，クライオパネルの温度を 20 K
以下から常温まで昇温する必要がある（一般的に，この操図６作を再生と言う）．原型炉を想定した場合にはトリチウム

高速イオンゲージの原理．ゲージヘッドは手の上に置けるほどの大きさである．電位のポテンシャルを利用して，中性粒子がイオン化された量をイオン電流として計測する．

インベントリの観点から溜め込み式の真空ポンプの採用には課題があるが，磁場環境下で使用できる真空ポンプとし
４３４

Commentary

Particle Exhaust in Magnetic Confinement Fusion Plasmas for Particle Control: Past and Future

G. Motojimaて，クライオポンプが魅力的であることは事実であろう．

れている活性炭は細孔径分布を評価して，ミクロ孔，メソ

LHD ではダイバータ排気のため吸着型のクライオポンプ

孔が豊富に含まれている活性炭が用いられている．

を採用している．一般的に真空ポンプはゲートバルブ等を次に，最近の新しい活性炭開発の現状についても触れて介して真空容器と接続するのが基本であるが，LHD の場合

おきたい．通常活性炭はヤシガラなどの原材料に対して炭はダイバータ構造がヘリカル構造をしており，ゲートバル化処理をして賦活したり，原料に賦活剤を混合させて炭ブを介することが困難である．ゲートバルブを介さない場

化・賦活処理をして製造される．最近では，活性炭に高機合に懸念されるのが有機接着剤使用に伴うガス放出や不純能性を持たせるために，炭素源にアルカリ土類金属化合物

物発生の問題である．従来のクライオ吸着ポンプにおいでできた鋳型を混合し，炭化させた後，鋳型を溶出させるて，吸着材として，多孔質材料の活性炭が用いられており，ことで，多孔質構造体を作り出す製法が工業的に確立され冷却基板上（通常は銅が用いられる）に貼り付ける際に，［３４］や TriporusTM［３５］とている［３３］．例えば，CNovelTM

エポキシ系の有機接着剤が使用されてきた．しかし，有機

いったものが挙げられる．このような鋳型を用いて活性炭

接着材は，運転停止中に有機ガスを放出して真空容器を汚を製造する場合の最大の利点は，細孔径分布を人為的に制染するほか，特に加熱時の有機系放出ガス量が多く，壁コ御することが可能な点である．これにより，高分散，耐酸

ンディショニングのためのベーキング中に真空容器を汚染化性・耐熱性，長寿命・不変性などの機能と細孔制御を組するリスクを伴う．無機系のセメントを接着剤として使う

み合わせることができ，新機能材料として魅力ある活性炭

ことも考えられているが，セメント原料による真空容器のを生み出すことが可能である．燃料電池の触媒などに用途汚染も懸念される［３０］．そこで，核融合科学研究所では株展開されている事例が報告されている［３６］．こうした細孔式会社協同インターナショナルと共同で，有機ガス放出の制御された活性炭をクライオポンプの活性炭として展開す無いインジウムを用いた無機接着法を開発した［３１］．インることも十分に可能だと考えられる．核融合科学研究所でジウム（融点１５６℃）は低融点金属の一つであり，ろう材とは CNovelTM をクライオ吸着ポンプの活性炭として用いして使用した．しかしながら，一般的に活性炭はろう材へる べ く R&D を 行 っ て い る．図７に 市 販 品 の 活 性 炭 との濡れ性が低く，冷却基板に対して十分な接着強度が確保

CNovelTM を成形したものを，20 K以下まで冷却し，排気速できない課題があったので，活性炭と冷却基板にアンカー度試験を行った結果を示す．CNovelTM の方が市販品の活効果を生み出す金属層（Ti，Ni，Ag）をスパッタ成膜処理性炭よりも排気速度が高く維持されていることがわかる．

することにより課題を解決した．なお，詳細は［３２］でも報CNovelTM の細孔径分布を調べたところ，メソ孔−マクロ

告されているので，参考にされたい．LHD のダイバータク

孔の細孔量は市販品の活性炭を凌駕するものであることがライオ吸着ポンプは，２０１７年の重水素実験開示以降のプラ

わかり，高い排気速度が得られたものと推測できる．このズマ実験にも供されており，中性子が発生する環境下でもことは，CNovelTM のような細孔制御された活性炭がクラ

排気性能が維持されている結果が得られている．また，活イオ吸着ポンプの活性炭として使用できる可能性を示唆す

性炭の剥離も観測されていない．このように，無機接着法

るものである．

は有機接着で問題となる有機系アウトガスによる真空容器

LHD ではダイバータ排気として吸着型クライオポンプの汚染を解決するものであり，今後のクライオポンプ製作

だけではなく非蒸発型（NEG）ポンプも活用 し て い るにおいて採用される可能性は十分考えられるものである．

［３７］．NEG とは Non Evaporable Getter の略で，非蒸発型

クライオ吸着ポンプの性能を決める重要なファクターとゲッターを意味する．NEG ポンプは，真空中の気体分子をして，使用する活性炭の特性が挙げられる．活性炭は多孔質材であり，主に比表面積（m2/g）と細孔径（nm）でその特性が評価される．比表面積は，Brunauer-Emmett-Teller（BET）法を用いて評価されることが多い．また，細孔径に関 し て は，一 般 的 に は，活 性 炭 の 細 孔 の 大 き さ は，
直径＜2 nm がミクロ孔，2 nm〜50 nm がメソ孔，＞50 nmがマクロ孔と分類されている．物理ガス吸着は，ミクロ孔
領域の細孔で行われるため，この領域の細孔容量がポンプの排気容量に寄与すると考えられる．一方，メソ孔〜マク
ロ孔領域の細孔は，吸着物質をミクロ孔へと導く運搬通路の役割を担うため，この領域の細孔容積がポンプの排気速度に寄与すると考えられる．以上のことから，ミクロ孔領域およびメソ孔〜マクロ孔領域の細孔容量，そして細孔径
分布は，クライオ吸着ポンプの排気性能を決定する重要な要素となっている．ここで，細孔径分布は，ガス吸着脱離等温線を評価したのち，Density Function Theory（DFT）
法や Barrett-Joyner-Halenda（BJH）法を用いて求められ
図７

る．LHD のダイバータ排気のクライオ吸着ポンプに用いら
４３５

CNovelTM 活性炭と市販活性炭の排気速度試験結果．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.10 October 2022

吸蔵合金の清浄な表面が持っている強い化学反応性を利用することで化学結合し，固定化する作用を利用した真空ポンプである．最近になり，高真空領域に対応した吸蔵合金がサエス・ゲッターズ社において開発され，核融合科学研
究所ではこれをダイバータ排気用真空ポンプとして採用した．先に述べた通り，LHD ではダイバータ排気として吸着型のクライオポンプを用いているが，20 K 以下という極低温での運転を必要とする一方，NEG ポンプの運転温度は
500 K 程度であるため，特にプラズマ加熱機器と対向する
ダイバータ領域では，プラズマ運転の両立性が良いという利点がある．本研究では，LHD 閉構造ダイバータ内部の狭小領域に設置可能な，サエス・ゲッターズ社の HV800 型のNEG ポンプを４２台，ダイバータの１セクションに導入した．これにより LHD ではダイバータ１
０セクショ ンのうち，６セクションに排気ポンプを備えることとなり，その排気速度は合計 80−90 m3/s となっている．
図８

４．混合プラズマにおける効率的な粒子排出４．
１ 水素同位体，ヘリウム分離手法

ダイバータ部での選択的高周波閉じ込めの概念図．文献
［３
８］
より引用．

と重水素の密度分布をバルク荷電交換分光で計測した．そ

ここでは水素，ヘリウム分離研究について，ポンデラの結果，粒子供給のイオン種と供給する位置（中心供給か

モーティブ・ポテンシャルを活用したイオン種の選択的封周辺供給か）にかかわらず，２つの同位体（水素と重水素）

じ込めの例を挙げる［３８］．実際に実験が行われたのはかな

が同じ密度分布となる「同位体ミキシング」と，異なる分

り以前であるが，水素同位体，ヘリウム分離などに活用で布の「同位体非ミキシング」という２状態間の遷移が観測きる可能性があるので，振り返ってみたい．ポンデラモー

された．具体的に，低リサイクリングの状況のもと（壁はティブ・ポテンシャルは，印加する高周波閉じ込めの周波

重水素リサイクリングが優位な状況），軽水素ビームの数が，プラズマ中のイオンのサイクロトロン周波数に近い

NBI により軽水素の中心粒子供給が行われる場合，軽水素

ときに大きくなる．この性質を利用すれば，仮にプラズマ密度割合（!"!!" !!!）の空間分布はピークした分布にな

中にサイクロトロン周波数の異なるイオン種があった場

る．軽水素ペレット，および重水素ペレットを入射した場

合，このイオンはポテンシャルを感ずることなく，磁力線合の水素密度割合を図９に示す．なお，ペレットの侵入長に沿って閉じ込め領域から逃げ出すことになる．これは，は浅く，プラズマへの吸収分布は周辺に位置する．軽水素

高周波閉じ込めが不純物を閉じ込めないという，特異な長ペレットを入射した場合，水素密度割合は空間一様にな所を持っている事を示し，例えばトリチウムの分離回収やる．一方，重水素ペレットを入射した場合は，周辺のデポ同位体分離などへの応用の可能性を示す．このように，特ジションにより，水素密度割合を下げて，よりピークした

定のイオンのみをいわゆる選択的に閉じ込めるは，当時小分布として予想されるが，実際は空間一様な分布が得られ型カスプ装置の TPD-II を用いた実験によって確かめられる．このように，重水素ペレットであろうが，軽水素ペた［３９］．TPD では，ヘリウム，窒素，アルゴンからなる多レットであろうが，水素密度割合が空間一様になる結果

種イオンプラズマが，一方のポイントカスプからカスプ磁は，同位体のミキシングが起こっていることを示してい

場中に流入し，ラインカスプで高周波封じ込めを受ける．

る．一方，同位体非ミキシングでは，ペレットを入射する

ラインカスプから逃げてくるイオンを質量分析した結果，前のように，水素密度割合が空間的に非一様になってい高周波の周波数がヘリウムイオンに対する最適周波数に等る．この同位体非ミキシングは，低密度または低衝突のプしい場合には，ラインカスプの外側へ漏れてくるヘリウム

ラズマで観測され，乱流は60−90 kHzにピークを持っていイオンの数は，高周波電圧を増すとともに，減少し，３００V

る．それが，ペレット入射後は，密度あるいは衝突周波数の高周波電圧まで到達すると全くヘリウムイオンを検出しの上昇につれて，同位体ミキシングの状態へ遷移し，乱流なかった．一方で，窒素イオンはこの影響を受けずに漏れのピークは低周波（20−40 kHz）にシフトする（図９右

出ていることがわかった．例えば，図８に示すように，ダ図）．この変化は，ジャイロ運動論的シミュレーションでイバータ領域に高周波による選択的閉じ込めを利用すれも再現されており，捕捉電子モード乱流からイオン温度勾ば，ダイバータ部で自動的にイオン分離されて，ヘリウム

配乱流の遷移を示唆するものである［４０］．このように，乱の効率的な排気などが促進される可能性がある．

流の駆動によって，同位体ミキシング状態を作り出すこと

４．
２ 同位体ミキシングができる可能性は，水素同位体のプラズマ中心への粒子供

最近では乱流によるミキシングによる効率的なヘリウム

給を乱流駆動によって達成できる可能性を示すほか，水素の周辺輸送が観測されているので，その一例を示す［４０］．

同位体分布の制御ノブの一つになり得ることを示す重要な

LHD の水素・重水素の同位体混合プラズマにおいて，水素結果である．また，原型炉を考えた場合，プラズマ中心で
４３６

Commentary

図９Particle Exhaust in Magnetic Confinement Fusion Plasmas for Particle Control: Past and Future

G. Motojima

左図 水素密度割合の径方向分布．浅い侵入長の重水素ペレットを入射したにもかかわらず，入射後に水素密度割合がフラットな分布となる．右図：ミキシング状態では非ミキシング状態と異なり，乱流のピークは低周波（20−40 kHz）にシフトする．文献［４
０］
よ
り引用．

発生するヘリウム灰の効率的な排出にも乱流駆動が寄与でものなのか，そういった問いに，現在の研究の成果があっきる可能性を示唆している．

てこそ答えることができる．粒子制御がもたらすアウトカ
ムとプロセス，両輪で答えを出していくことが求められる．

５．これからの粒子制御に向けた取り組み−まと
めにかえて

謝

辞

本解説では，これまでに行ってきた粒子制御研究につい本研究の一部は，核融合科学研究所運営費交付金（NIF-て，筆者の行ってきた研究を中心に紹介した．特に粒子排SULPP801 および ULPP701），自然科学研究機構産学連携

気の観点から壁の粒子吸蔵，放出現象が粒子制御に与える支援事業（課題番号０
１５１２１０３），公益財団法人近藤記念財

影響について，またダイバータでの強力な粒子排気による団

粒子制御性について LHD における成果を中心に解説した．

めるにあたり，核融合科学研究所の増崎貴氏，森崎友宏氏，

ダイバータ排気による粒子制御は，その最大のアウトカム

田中将裕氏，マックス・プランク・プラズマ物理研究所のとして長時間の高性能プラズマ維持が挙げられるであろUwe Wenzel 氏，東洋炭素株式会社の初代善夫氏，およびう．これからダイバータによる粒子制御実験が本格化する

東邦金属株式会社の北垣慎二氏との議論が大変参考になり

W7-X，また，これからプラズマ実験が始まろうとしていました．ここに感謝申し上げます．また，このような執筆

るJT-60SA，ITERにおいて，長時間放電におけるダイバーの機会を提供いただいた，編集委員の河村学思氏に重ねてタ排気の有意性がさらに示されていくに違いない．一方

感謝申し上げます．

研究助成（２０１５‐０２）の支援を受けました．本解説を纏で，アウトカムを得るためのプロセスはどうであろうか．
JT-60SA や ITER を含む現在の装置におけるダイバータ排

参考文献

気は，クライオポンプを使用している．しかし，原型炉で［１］S. Brezinsek et al., Nucl. Fusion 53, 083023 (2013).
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はクライオポンプのような溜め込み式の真空ポンプは，トリチウムインベントリの観点から決して最良とは言えないだろう．さらには，プラズマの高性能化と低リサイクリン
グの関係と，高リサイクリング率が望まれる原型炉の粒子制御については二律背反の関係性があり，明確な粒子制御
シナリオを描けるところまでは至っていない．また，混合プラズマ，特にヘリウムの排気は核融合炉の燃焼率に大きく影響するため，混合プラズマの粒子排気は重要なテーマでもある．そういった点においては，第４章で述べたような，斬新なアイデア（古いアイデアだったとしても）のもとで粒子排気が効率的に行われる手法の確立というのも必要になってくるであろうし，その創出が原型炉に向けて多大な貢献をもたらすものと考えられる．だからといって，現在行われている粒子制御研究が否定されることにはならない．意のままに粒子を制御するためには，どの程度のダ
イバータ排気が必要なのか，壁の最適な条件はどういった
４３７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.10 October 2022

(https://nucleus.iaea.org/sites/fusionportal/Shared%20
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［３１］村瀬尊則 他：クライオ吸着パネル及びその製造方法，並びにそれを用いた真空装置．特許第６
０
２
１
２
７
６号
（２
０
１
６）
．
［３
２］村瀬尊則 他：プラズマ・核融合学会誌 93, 213 (2017).
［３３］森下隆広：TANSO 278, 103 (2017).
［３４］https://www.toyotanso.co.jp/Products/cnovel/［３５］https://www.sony.com/ja/SonyInfo/triporous/
［３
６］２
０
２
０年炭素材料学会１月セミナー 講演要旨集［３７］G. Motojima et al., Fusion Eng. Des. 143, 226 (2019).
［３８］佐藤照幸，高山一男：高周波封じ込めとカスプ IPPJREV-5（名古屋大学プラズマ研究所，１
９
８
９）
.
［３
９］S. Hiroe et al., Nucl. Fusion 15, 769 (1975).
［４０］K. Ida et al., Phys. Rev. Let. 124, 025002 (2020).

!!!!!!!!!!!!!!!!!

じま

げん

本 島

もと

厳

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核融合科学研究所 准教授．
「核融合発電を見通せる粒子制御法の確立」に関連した物理研究を行う．具体的に，固体水素による燃料供給法の最適化研究と，ダイバータの能動的排気による周辺粒子制御の確立を目指している．最近，近所にフィットネスクラブができたので，定期的に身体を鍛えています．買い物袋を持つのを躊躇っていると，妻からは何のために鍛えているのか？と言われています．見た目重視です．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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