J. Plasma Fusion Res. Vol.93, No.2 (2017)７１‐７３研究最前線

Wendelstein 7-X ファーストプラズマFirst Plasma from Wendelstein 7-X
鈴木康浩
SUZUKI Yasuhiro
自然科学研究機構・核融合科学研究所，総合研究大学院大学（原稿受付：２０１６年１２月１３日）

Keywords:
Wendelstein 7-X, Helias, first plasma, limiter, ECH plasma

２０１５年１２月１０日にマックスプランク・プラズマ物理研究用しており，複雑な３次元形状のプラズマと閉じ込め磁場所（ドイツ）の Wendelstein 7-X（W7-X）装置が実験を開を作るポロイダルモジュラーコイル群を持つ．図１に，始した．W7-X 装置は，建設に１５年を要した最適化ス テ

W7-X 装置の鳥瞰図を示す．単純な円形ではない，ポロイラータ配位の超伝導プラズマ閉じ込め実験装置である．第ダルモジュラーコイル群を見て取ることができる．このよ

１期のプラズマ実験は OP1.1 と呼ばれ，前半のヘリウムプうな複雑なコイル形状かつ，それらのコイルがすべて超伝ラズマ放電と後半の水素プラズマ放電からなっている．

導コイルのため，建設には１５年の歳月を要した．W7-X は，

W7-X は，定常プラズマ放電の実証をめざした装置である

ステラレータ型核融合炉の実現をめざした実験装置であが，OP1.1 はダイバータ配位のための炉内機器が設置されり，定常プラズマ閉じ込めを実証するために炉内冷却を含ておらず，リミター配位での実験となった．そのために，めたダイバータ，加熱装置が整備される．W7-X 装置や磁加熱パワー，放電時間ともに限られたものとなっているが，場配位の特性については，すでにいくつかの解説記事興味深い実験結果が得られている．本稿では，ヘリウム放［１‐３］があるのでそちらを参考されたい．
しかし，建設期間が長期に及んだため，すべての炉内機電，および水素放電で得られた結果のいくつかを紹介する．

器の整備をあきらめ，まずはリミター配位で実験が開始さ１．はじめにれることとなった．そのためECH加熱の入力パワーおよびWendelstein 7-X（W7-X）装置は，ドイツ・グライスヴァ放電時間が制限されている．また，計測装置の整備も基本

ルドに建設された超伝導ステラレータ実験装置である．

計測を優先し，揺動計測など先進的な計測装置開発は先送W7-X 装置は，先進ステラレータ（HELIAS: HELIcal Ad-りされることとなった．したがって，ファーストプラズマ

vanced Stellarator）配位と呼ばれる閉じ込め磁場配位を採を含む初期実験（OP1.1）はすべて上記の限られた加熱・計測条件で行われている．OP1.1 実験は，前半と後半に分けて考えたほうが良く，前半はコミッショニングを含むヘリウム放電，後半は水素放電である．ヘリウム放電実験は２０１５年１２月１０日に実験を開始 し，３ヶ月の予定で OP1.1がスタートした．特に，２０１６年２月３日には，アンゲラ・メルケルドイツ政府首相招待のもと，水素放電におけるファーストプラズマの記念式典が行われた．このときは，内外４００名の招待者と共に記念式典が行われ，ヨーロッパにおける新しい実験装置の完成と世界最大規模の超伝導実験装置の完成と実験開始が祝われた．OP1.1 では，９４０の実験提案が行われ，９２の装置試験のための実験，４４６のプラズマ生成実験（加熱調整やリミター放電の健全性確認）が行われた．にもかかわらず，４０２の物理実験が行われたことは驚くべきことである．これは，W7-X 装置の建設が成功裏

図１

W7-X 装置の鳥瞰図．に行われ，大きな問題が発生することなくプラズマ実験がNational Institute for Fusion Science, Toki 509-5292 GIFU, Japanauthor’s email: suzuki.yasuhiro@LHD.nifs.ac.jp

７１!2017 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.2 February 2017

立 ち 上 げ ら れ た こ と を 証 明 す る こ と で あ る．以 下 に，OP1.1 を前半・後半に分けてハイライトとなる実験結果をいくつか紹介したい［４，５］．

２．ヘリウム放電実験
前半のヘリウム放電実験の目的は，装置本体，特にカーボンリミターの健全性確認である．そのため，実験初期は加熱入力を２MW 以下，放電時間は１秒以下という制限が課された．カーボンリミターの健全性が確認された後，加熱入力を徐々に増やしながら実験が行われた．実験装置が完成した直後の実験のために壁コンディションが良くな
く，初期の放電は５０ミリ秒以下で輻射崩壊した．しかし，中心電子温度とイオン温度は１keV に達し，線平均電子密度は 2×1019 m−3 を達成した．OP1.1 はグロー電極が準備されていなかったために，壁コンディショニングは短パルスECH 放電を行うことによりなされた．壁コンディションが改善されると共に，放電時間は５００ミリ秒まで延び，中心温度・密度も向上した．図２に，ヘリウム放電で得られた電子密度分布，および電子・イオン温度分布を示す．この放電は，加熱入力が４MW の ECR 加熱プラズマである．電子密度分布，および電子温度分布はトムソン散乱計測により図３得られている．プラズマ温度分布については，他に電子サイクロトロン放射計測（電子温度），X 線イメージング分光（イオン温度）の結果も用いられている．

３．水素放電実験

水素放電における典型的な放電波形．上段から，加熱パワー，電子サイクロトロン放射計側信号，線積分電子密度，プラズマ蓄積エネルギー，プラズマ電流を表示している．

を達成した．一方，プラズマ電流は一定の割合で増加し続はじめにで述べたよう，ヘリウム放電実験の成功によりけ，最終的に約 1 kA のトロイダル電流が流れた．このと２０１６年２月３日より水素放電での実験を開始した．図３

き，輻射損失の割合は約３０％であり，パワーバランスからに，水素放電での典型的な放電波形を示す．上段から，加評価したプラズマ閉じ込め時間は１００ミリ秒となった．こ

熱パワー，電子サイクロトロン放射計側信号，線積分電子の結果は，国際ステラレータ閉じ込めスケーリング ISS０４密度，プラズマ蓄積エネルギー，プラズマ電流を表示してに則しており，他のエネルギー損失を考慮したとしても十いる．図から，プラズマ立ち上げ後に加熱パワーを 4.3 MW分な性能を示したといえる．また，この結果は，ダイバーまで上げている．電子サイクロトロン放射計測の信号は，タモジュール設置後の実験についても，よい予測を与える

磁気軸付近を計測しているチャンネルの生信号を表示して結果といえる．

いるために，単位が物理量としての温度になっていない

図４に，水素放電におけるプラズマ温度分布の１例を示

が，電子温度は約 10 keV に達した．また，６００ミリ秒からす．電子温度はトムソン散乱計測，電子サイクロトロン放水素ガスパフで粒子供給を行うことにより，線積分密度が射計側により，イオン温度分布は X 線イメージング分光計

2×1019 m−2 に達し，プラズマの蓄積エネルギーは 400 kJ測によるものである．中心電子温度は 8 keV，中心イオン

図２

ヘリウム放電における（a）
電子密度分布，および（b）
電子・イオン温度分布．

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Front RunnerFirst Plasma from Wendelstein 7-X

Y. Suzukiのみであるにもかかわらず，1 keV を超えるイオン温度が観測されており，ステラレータ最適化による良好な閉じ込め特性が実験的に確認されたといえるだろう．今後，得られた実験結果の解析が進むことが期待される．本稿では紙面の都合上，ヘリウム，および水素放電におけるプラズマパラメータの紹介に注力したが，OP1.1 では真空磁気面計測，誤差磁場計測，リミター上の熱負荷計測など様々な成果が得られた．そのような成果も，今後，発表されてゆくと思われる．
OP1.1 終了後，装置は長期メンテナンスに入り，２０１７年開始の次期実験キャンペーンである OP1.2 の準備が進められているところである．OP1.2 では，強制冷却ではないテストダイバータユニット（Test Divertor Unit: TDU）を設置し，ダイバータ配位による実験を行う予定である．定常図４

核融合炉をめざした先進的な取り組みの一つとして，注目水素放電におけるプラズマ温度分布．電子温度はトムソン
散乱計測，電子サイクロトロン放射計側により，イオン温度分布は X 線イメージング分光計測によるもの．

していく必要がある．
本 稿 を 執 筆 す る に あ た り，協 力 し て い た だ い た A.
Dinklage 博士，R. Wolf 博士，T. Klinger 博士に感謝いたし

温度は 1.5 keV に達している．このとき，線平均電子密度はます．

3×1019 m−3 であり，磁気計測から見積もられた中心ベー

参考文献

タ値は２％となった．

［１］G. Griger et al., Fusion Technol. 21, 1767 (1992).
［２］Jürgen Nührenberg, Plasma Phys. Control. Fusion 52,124003 (2010).
［３］H.S. Bosch et al., Nucl. Fusion 53, 126001 (2013).
［４］Wendelstein 7-X Newsletter No. 12 / April 2016［５］T. Klinger et al., Plasma Phys. Control. Fusion 59, 014018(2017).

４．おわりに１５年の歳月をかけて建設された Wendelstein 7-X（W7-X）
装置が，２０１５年１２月より実験を開始した．最初の実験キャンペーンである OP1.1 は，冷却無しのリミター放電であるために加熱入力，放電時間それぞれに制限があるものの，予測を超える高温度プラズマの生成に成功した．電子加熱

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