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2017年04月10日 (18:46)

イオン質量効果の全容解明に向けて【核融研&名大】

核融合科学研究所(土岐市下石町、竹入康彦所長)の
仲田資季助教(もとき)や、
名古屋大学大学院の渡邉智彦教授らの研究グループは、
核融合科学研究所のスーパーコンピューター
「プラズマシミュレーター」などを用いて、
『イオン質量による乱流抑制のメカニズム』を、
解明したと、発表した。
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核融合発電を実現するためには、強い磁場で、
プラズマをドーナツ状(円環状)に閉じ込め、
高温・高密度にする必要がある。
核融合科学研究所では、
大型ヘリカル装置(LHD)を用いて、
プラズマ実験を実施。
プラズマ実験の際、これまでは、
「軽水素イオン」を使ってきたが、
今年、平成29(2017)年3月7日からは、
重水素イオン」を使っている。
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軽水素(通常の水素)イオンの約2倍の質量を持つ、
重水素イオンを用いると、
「イオン質量効果」(水素同位体質量効果)により、
プラズマの閉じ込め性能が、向上すると言われている
(※LHDでの「イオン質量効果」の検証は今後)。
しかし、なぜイオン質量の増大が、
閉じ込め性能の改善につながるのか、
詳しい物理メカニズムは、分かっていなかった。
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また、プラズマが高温状態になると、
不規則に乱れた「乱流」が、しばしば発生する。
乱流は、プラズマの内部をかき乱し、
熱や粒子の閉じ込めを、劣化させてしまう。
一方、乱流の中で、流れの向きが反転している、
「ゾーナルフロー」(帯状流)が形成されると、
乱流が抑制されることが、分かっている。
ただし、乱流やゾーナルフローの発生条件・
詳しい物理メカニズムについては、
こちらも、分かっていなかった。
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仲田資季助教らは、
スーパーコンピューターでシミュレーションを行い、
①磁力線に沿って往復運動する「捕捉電子」が、
乱流を引き起こしている(捕捉電子不安定性)。
②しかし、プラズマの中で、
捕捉電子とイオンが衝突することによって、
乱流を抑制する効果がある。
③プラズマの密度が低い時は、
軽水素イオンの方が、乱流の発生は低いが、
プラズマの密度を高くしていくと、逆転し、
重水素イオンの方が、乱流の発生が低くなる。
④これは、高密度になると、
捕捉電子とイオンの衝突による抑制効果が、
重水素イオンの方が、より強くなるから。
⑤ゾーナルフローによる乱流の抑止効果は、
軽水素イオンに比べ、重水素イオンの方が高い。
⑥また、乱流が弱くなると、
逆に、ゾーナルフローの力が強まること。
などを、明らかにした。
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なお、今回の研究結果は、
「イオン質量効果」の全容解明に向けた、
革新的な成果とされ、
米国物理学会が発行する科学雑誌
Physical Review Letters」に、
掲載されることが、決まった。
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