火に十分な量の油を注ぐ

制御を維持しながら、どれだけ火に油を注ぐことができるでしょうか? 比喩的に言えば、これが米国エネルギー省プリンストン プラズマ物理研究所 (PPPL) のチームが最近自問している問題です。

現在、彼らは、ある特定のシナリオに対する答えを持っていると信じています。 それはすべて、核融合から電力網にエネルギーをもたらすという研究所の仕事の一部です。

核融合プラズマを含む容器の内面を液体リチウムでコーティングできる可能性を示す最近の発見に基づいて、研究者らは、プラズマの端が冷える前に、プラズマの端での非荷電粒子または中性粒子の最大密度を決定した。特定の不安定性が予測不能になります。

核融合プラズマの端にある中性粒子の最大密度を知ることは、研究者に核融合反応をどのように、どの程度燃料として供給すればよいのかを知ることができるため、重要です。

この研究は、次の新しい論文で紹介されています。 核融合、 には、リチウム・トカマク実験ベータ（LTX-β）と呼ばれる核融合プラズマ容器内での実験からの観察、数値シミュレーション、および分析が含まれています。

LTX-βの独特な環境

LTX-βは、磁場を利用してプラズマをドーナツ状に保持する世界中の多くの核融合容器のうちの1つです。 このような船はトカマクとして知られています。 このトカマクを特別なものにしているのは、その内壁をほぼ完全にリチウムでコーティングできることです。 リチウムはプラズマから放出される水素原子の非常に高い割合を保持するため、これにより壁の挙動が根本的に変化します。

リチウムがなければ、はるかに多くの水素が壁から跳ね返り、プラズマに戻ることになります。 2024 年初頭、研究チームは、この水素のリサイクル率の低い環境によりプラズマの端が高温に保たれ、プラズマがより安定し、より大量のプラズマを収容できる余地が得られると報告しました。

「私たちは、リチウムの壁が核融合炉の小型化を可能にし、それがより高い出力密度につながることを示そうとしているのです」と、PPPLの管理主任研究物理学者でLTX-βの責任者であるリチャード・マジェスキー氏は述べた。 最終的に、この研究は、世界が必要とする費用対効果の高い核融合電源につながる可能性があります。

今回、LTX-β チームは、プラズマの燃料とその安定性の関係を示す追加の研究結果を発表しました。 具体的には、研究者らは、LTX-β内部のプラズマの端が冷え始める前に中性粒子の密度が最大になり、安定性の問題が発生する可能性があることを発見した。

研究者らは、プラズマの端の密度を新たに定義したレベル 1 x 10 未満に保つことで、特定の不安定性が発生する可能性を低減できると考えています。¹⁹ メートル^–3。 LTX-βについてそのようなレベルが確立されたのはこれが初めてであり、リチウムがトカマクの内壁コーティングとして理想的な選択肢であることを証明するという彼らの使命において、これがベストプラクティスに向けての指針となるため、これは大きな一歩となる。彼らのプラズマに燃料を供給するためです。

LTX-β では、核融合は、端からの水素ガスの噴射と中性粒子のビームの 2 つの方法で行われます。 研究者らは、電力網で実用化するのに十分なエネルギーを生成しながら、将来の核融合炉で核融合を長期間維持できる最適なプラズマを生成するために、両方の方法を併用する方法を洗練させている。

プラズマ全体で均一な温度を維持するための方法を改良する

物理学者は、端部の温度と中心部の温度を比較して、管理がどの程度容易であるかを評価することがよくあります。 これらの数値をグラフにプロットし、線の傾きを考慮します。 内核と外縁の温度がほぼ同じ場合、線はほぼ平坦になるため、これを平坦な温度プロファイルと呼びます。 外縁の温度が内核の温度よりも大幅に低い場合、科学者はそれをピーク温度プロファイルと呼びます。

「研究チームは、プラズマのエッジを超えた中性粒子の最大密度を決定しました。この密度は、フラットエッジの温度プロファイルを可能にします。エッジで中性粒子の数を超えると、エッジ温度は確実に低下し、最終的にはピーク温度プロファイルです」とPPPLのスタッフ研究物理学者であり、新しい論文の筆頭著者であるサンタヌ・バナジー氏は述べた。

「同じ中性密度は、引き裂きモードとして知られる不安定性の閾値です。その密度を超えると、引き裂きモードは不安定になる傾向があり、プラズマに脅威を引き起こし、制御されないままにしておくと核融合反応が停止する可能性があります。」

不安定性が大きくなりすぎると、核融合反応は終了します。 電力網をサポートするために、研究者たちは、反応が安定するように核融合プラズマを管理する最良の方法を考え出しています。

Banerjee と Majeski は、PPPL の Dennis Boyle、Anurag Maan、Nate Ferraro、George Wilkie、Mario Podesta、Ron Bell を含む数人の研究者とこの論文に協力しました。

プロジェクトの作業は続けられます。 PPPL エンジニアのディラン・コール氏は、プラズマの加熱に使用される中性ビームがトカマクに注入される方向を最適化しています。 「私たちは基本的に、そのための新しいポートを作成しているところです」とCorl氏は語った。 彼は、LTX-β の 3D モデルを使用して、さまざまなビーム軌道をテストして、ビームがプラズマの測定に使用されるツールなど、装置の別の部分に当たらないことを確認します。 「最適な角度を見つけるのは難しいことでしたが、今ではそれを見つけたと信じています」とコール氏は語った。