「人工太陽」EASTで密度限界を突破　核融合プラズマを“高密度で安定”へ

核融合実用化の鍵の一つとされる「プラズマ密度の上限（密度限界）」について、中国のトカマク型装置EAST（通称「人工太陽」）の実験で、その限界を超えて運転できる手法が示されました。高密度運転の物理的な足場になる成果として注目されています。

何が発表されたのか

今回の研究では、EASTを用いた実験でプラズマ密度限界を超える制御に成功し、さらに「密度フリー領域」と呼ばれる新たな状態へプラズマを導いたと報告されています。

研究は、中国科学院の中国科学院合肥物質科学研究院プラズマ物理研究所、華中科技大学、フランスのエクス＝マルセイユ大学などが共同で実施し、成果は学術誌Science Advancesに今週金曜日付で掲載されたとされています。

そもそも「密度限界」とは

トカマクは、ドーナツ状（トロイダル）の装置内で磁場を使って高温のプラズマを閉じ込め、核融合反応を起こしやすい状態をつくる仕組みです。入力された説明では、螺旋状の「磁気のレーストラック」のようにプラズマを閉じ込めるイメージだとされています。

このときプラズマ密度は、核融合反応の起きやすさ（反応率）を左右する重要なパラメータです。一方で、密度を上げていくと上限があり、限界に達するとプラズマが不安定化して閉じ込めが崩れ、装置内壁へ大きなエネルギーが放出されることで運転の安全性を脅かす、と整理されています。

鍵は「境界の不純物」と「放射不安定性」

国際的な核融合研究の蓄積として、密度限界を引き起こす物理過程はプラズマと壁の境界領域で起きることが示唆されてきた一方、根本メカニズムは明確ではなかったといいます。

そこで研究チームは、プラズマ—壁相互作用を自己組織化（系が自律的に状態を形づくる）として扱う理論モデルを構築。その結果、境界領域の不純物が引き金となる放射不安定性が、密度限界の発生に重要な役割を持つと特定し、仕組みを説明できたとしています。

実験で「密度フリー領域」へ

理論的な見立てを踏まえ、研究チームは実験でプラズマを制御し、密度限界を超えた運転を実現。さらに、プラズマを新たな「密度フリー領域」へと誘導することに成功したと報告しています。

この「密度フリー領域」について、トカマクにおける初の実験的確認だと位置づけられており、密度限界の理解を進めるだけでなく、将来の磁場閉じ込め核融合装置で高密度運転を成立させるための重要な物理基盤になる、と研究者は述べています。

このニュースが投げかけるもの

核融合では「より安定に、より高密度に」運転できるかが性能と直結します。今回の報告は、限界を“気合いで押し上げる”話というよりも、境界で何が起きているかを説明し、その理解に沿って制御するというアプローチが前に進んだ点がポイントです。

今後は、この新しい運転領域がどの条件で再現できるのか、どこまで一般化できるのか――「限界」の意味そのものがどのように捉え直されていくのかが、次の焦点になりそうです。

Reference(s):

"Artificial sun" experiment able to break fusion plasma density limit

cgtn.com