アルカトール C-Mod

アルカトール C-Mod

MIT プラズマ科学および核融合センターの Alcator C-Mod トカマク実験。装置自体 (コンクリート遮蔽下) と周囲のベイの診断を示す概要。
デバイスタイプ	トカマク
位置	米国マサチューセッツ州ケンブリッジ​
所属	MITプラズマ科学核融合センター
技術仕様
主半径	0.68 m (2 フィート 3 インチ)
マイナー半径	0.22 m (8.7 インチ)
血漿量	1 メートル3
磁場	3～8 T (30,000～80,000 G) (トロイダル)
プラズマ電流	0.4～2.0  MA（標準）
歴史
運営年数	1991–2016
先行	アルカトールC

アルカトールC-Modは、マサチューセッツ工科大学（MIT）プラズマ科学・核融合センター（PSFC）で1991年から2016年まで稼働していたトカマク（磁気閉じ込め型核融合装置の一種）である。高いトロイダル磁場（最大8テスラ）で知られるアルカトールC-Modは、磁気閉じ込め型核融合装置における体積平均プラズマ圧力の世界記録を保持している。^[1] 2016年に閉鎖されるまで、米国の主要な核融合研究施設の1つであった。

Alcator C-Mod は、Alcator A (1973–1979) と Alcator C (1978–1987) に続く、Alcator ( Al to Ca mpo Tor o、高磁場トーラス) トカマク シリーズの 3 番目の原子炉でした。これは、大学が運用する最大の核融合炉であり、より大規模なプラズマ科学および核融合センターの不可欠な部分でした。

1960年代後半、MITの磁気閉じ込め核融合研究は、電子工学研究所とフランシス・ビター磁石研究所で小規模な「卓上」実験で実施された。当時、ソ連はトカマクを開発しており（米国では知られていなかったが）、プリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）はステラレータを開発していた。

ブルーノ・コッピは、ニュージャージー州プリンストンの高等研究所に勤務し、高流動パラメータ値でのプラズマ抵抗率という基本的なプラズマ物理学の問題、および非常に高い磁場強度（≥ 10 T）での磁気閉じ込めプラズマの挙動に興味を持っていました。1968年、コッピはノボシビルスクで開催された第3回IAEAプラズマ物理学および制御核融合研究国際会議に出席しました。この会議で、ソビエトの科学者は、トカマク装置（T-3）で1000 eVを超える電子温度を達成したと発表しました。

同年、コッピはMIT物理学部の教授に任命された。彼はすぐにブルース・モンゴメリー率いるフランシス・ビター磁石研究所のエンジニアと協力し、小型（主半径0.54m）で高磁場（軸上10T）のトカマクを設計し、アルカトールと名付けた。この名前はイタリア語のAl to Ca mpo Tor oの頭文字で、「高磁場トーラス」を意味する。後にアルカトールC、続いてアルカトールC-Modが建造されたため、元のアルカトールは遡及的にアルカトールAに 改名された。

アルカトールは1970年に原子力委員会（AEC）の承認を受け、1972年に初めて稼働した。性能上の問題（真空の質の悪さとトロイダル磁場磁石のアーク放電）により、1973年から1974年にかけて新しい真空容器を備えた機械の再構築が行われ、1974年に科学的成果が出始めた。アルカトールAはビター研究所の32MW直流モーター発電機で駆動され、オーム電流駆動と加熱に空芯変圧器を使用した世界初のトカマクであった。

Alcator A の成功により、1975 年に Alcator B と呼ばれる大型マシンの概念設計が開始されました。しかし、Alcator A に使用されたモーター ジェネレーターは、新しいマシンを駆動するのに十分なパワーがなかったため、新しい電源を購入して設置する必要がありましたが、エネルギー研究開発局(ERDA) は、その費用を負担したがりませんでした。しかし、ERDA は別の Alcator を製造することに熱心で、解決策が見つかりました。ニューヨーク市のイースト リバーにある工場からCon Edが 225 MVA のオルタネーターを MIT に寄贈したのです。概念設計は異なる電源に対応するために変更され、プロジェクトは Alcator C と改名されました。

アルカトール C は 1976 年に正式に認可されました。同年、プラズマ核融合センター(現在のプラズマ科学および核融合センター) がフランシス ビター マグネット研究所から分離されました。アルカトール C の建設は急速に進み、1977 年末に最初のテストが実施されました。オルタネーターは 1978 年初頭にコンエドから到着し ( 1978 年の猛吹雪により輸送が困難になりました)、1978 年夏にシステムに組み込まれました。科学的運用はその年の 9 月に開始されました。

 Alcator C はAlcator A よりも大型の装置 ( R ₀  = 0.64 m) で、より高い磁場 ( B _{0 ≤ 13 T) で動作しました。1982 年に 4 MW の}下側ハイブリッド加熱が追加され、電子温度は 3.0 keV を超えました。Alcator C は当初、高い の値でイオン温度勾配乱流が発生するため、期待されたエネルギー閉じ込め時間を持っていませんでしたが、ペレット燃料供給を使用してピーク密度プロファイルが生成され、 1983 年にn τ 積の値が 0.8 × 10 ²⁰  s·m ⁻³を超えました。 ${\displaystyle \eta ={\text{d}}\ln T/{\text{d}}\ln n}$

PSFC の新しい装置やアップグレードのアイデアはいくつかありましたが、資金が調達されることはありませんでした。1978 年から 1980 年にかけて、Alcator D の設計活動が行われました。これは Alcator C の大型版で、加熱力を高め、おそらくは重水素 - 三重水素 (D-T) 運転も可能にするものでした。この設計はエネルギー省(DOE) に正式に提案されることはありませんでしたが、コッピの指揮の下で進化を続け、最終的にはロシアのトロイツク近郊のTRINITYに建設が計画されていたイタリアとロシアの共同IGNITOR装置になりました。

1982年、アルカトール DCT と呼ばれる、さらに野心的な装置が考案されました。この装置は、軸上に 7 T を生成する超伝導コイルを備えています。4 MW の低ハイブリッド電流駆動により、1.4 MA のプラズマ電流で定常プラズマを駆動します。この設計はフランスのTore Supraに類似していたため、1983 年にフランスとアメリカの合同ワークショップがカダラッシュで開催され、2 つの設計を比較して意見を交換しました。アルカトール DCT は、1983 年後半に正式に DOE に提案されましたが、資金提供はありませんでした。

当時、米国における磁気核融合エネルギー研究の予算は年々増加しており、1984 年度には 4 億 6,840 万ドルのピークに達していました。その年、PSFC は、しばらくの間予算が削減され、DOE の方針では新しいマシンではなく既存のデバイスのアップグレードにのみ資金を提供するという通知を受けました。そのため、Alcator C の電源の一部を再利用する銅コイル マシンの設計作業が開始され、チームはそれを Alcator C の「改造」として提案することができました。概念設計が完了し、Alcator C-Modは 1985 年後半に正式に DOE に提案されました。プロジェクトは承認され、1986 年に建設が認可されました。

Alcator C-Modは、イオンサイクロトロン高周波（ICRF）加熱を主な補助加熱源として使用します。ソース周波数は80MHzで、標準的な少数種加熱シナリオは、4.4〜6.9Tの場合はD（H）、高磁場動作（7.3〜8.0T）の場合はD（3He）です。^[2]少数種（水素またはHe3）が示され、ICRHシナリオでは2成分プラズマが使用されます。

吸収効率は少数種濃度によって変わります。また、少数種濃度を変えることで、少数種加熱とモード変換 (MC) 加熱の間を遷移させることもできます。相対的な H 分率は、ガスパフィングによって約 2～30% の範囲でスキャンし、受動電荷交換を使用して測定できます。 ^[2]相対的な He3 分率濃度も、ガスパフィングによって約 2～30% の範囲でスキャンできます。位相コントラストイメージング (PCI) を使用すると、プラズマ内で直接モード変換波を測定できます。 ${\displaystyle \eta_{H}=n_{H}/(n_{H}+n_{D})}$${\displaystyle \eta_{He3}=n_{He3}/n_{e}}$

少数イオン加熱は、C-Mod で使用される最も一般的なシナリオです。ICRF 加熱システムは、D(H) プラズマ内で 80 MHz で動作します。この周波数は、5.3 T での陽子の軸上少数イオン基本サイクロトロン共鳴と、重水素プラズマ内の水素少数イオンによる速波の吸収に対応します。これは非常に効率的です (C-Mod での一般的なシングルパス吸収は、少数イオン濃度が 5～10 % の場合に 80～90 % です)。^[3]重水素多数イオンプラズマでの 80 MHz および 7.9 T での少数イオン加熱は、He3 少数イオン共鳴 (軸上) を使用して達成されますが、重水素内の He3 少数イオンによるシングルパス吸収は、陽子の場合よりもはるかに低くなる傾向があります^[3] (例: 5.3～5.4 T での少数イオン加熱シナリオ)。

高速磁気音波からイオンサイクロトロン波およびイオンサイクロトロン周波数範囲（ICRF）のイオンバーンスタイン波へのモード変換は、電子を加熱するために使用できます。モード変換加熱は、D（3He）プラズマ内のICRFを使用してC-Modで行われます。^[2]

下側混成電流駆動 (LHCD) (下側混成振動に基づく) は、オーム変圧器によって駆動される電流を補うために使用されます。LHCD システムは、4.6 GHz でプラズマに 1.0+ MW のマイクロ波電力 (2013 年に第 2 アンテナを追加して 2 MW 以上にアップグレードする予定^{[更新が必要]} ) を提供できます。電力は、CPI, Inc. 製の250 kWクライストロンマイクロ波増幅器によって供給されます。500 kA で最大 0.5 秒のパルスの非誘導動作が達成されました。下側混成波は、プラズマ電流と反対方向 (つまり、電子の移動方向) に優先的に発射され、ランダウ減衰によって熱速度の約 3 倍で移動する電子にエネルギーを付与します。LHCD 研究の主な分野は、核融合発電所に必要な 高密度 (n _e > 10 ²⁰ m ^{−3 ) での電流駆動の分野です。}

273 枚の写真から合成したトカマク外壁のパノラマ図。左側には、4 本の銅製アンテナ ストラップが付いた回転イオンサイクロトロン周波数アンテナが見えます。中央には、小さな長方形導波管のグリッドが付いた下部ハイブリッド ランチャーが見えます。右側には、4 本の銅製ストラップが付いた回転しないイオンサイクロトロン周波数アンテナがあります。中性ビームの入口は、右側近くにある大きな円形の穴です。

アルカトール C-Mod は 2013 年 10 月に閉鎖される予定でした。しかし、2014 年の議会の包括的支出法案では実験の運用が明確に指定され、2,200 万ドルが支給されました。実験運用は 2014 年 2 月に再開されました。

資金提供を規定した包括法案では2016年度以降は資金提供されないことが明記されていたが、2015年度も資金提供は延長された。^{[4] [5]}

2016年、アルカトールC-Modは磁気閉じ込め核融合装置におけるプラズマ圧力の世界記録を樹立し、2.05気圧に達した。これは、アルカトールC-Modが保持していた以前の記録1.77気圧を15パーセント上回るものだった。この記録的なプラズマの温度は3500万度Cで、持続時間は2秒間、600兆回の核融合反応が起きた。^[6]この実験では、5.7テスラのトロイダル磁場が使用された。この記録は、最終運転日に達成された。^[7]

2016年9月末の運用完了後、施設は安全停止状態となり、現時点では追加の実験は計画されていない。20年以上の運用から蓄積されたデータは豊富にあり、実験チームと理論チームは引き続き結果を分析し、科学文献に発表している。^[8]

アルカトールC-Modのプラズマ圧力記録である2.05気圧は、おそらくしばらくは破られないだろう。現在建設中の装置の中でこの記録を破ると予測されているのは、フランスのITERトカマクだけだ。ITERは2032年まで完全に稼働しないと予想されており、それまでに別の新しい装置が建設されない限り、アルカトールC-Modの記録は15年間破られないことになる。^[1]

• 「アルカトール クロニクル、または: アルカトール B に何が起こったか?」 R. パーカー、IAP 2011 でのプレゼンテーション。MIT PSFC ライブラリでオンラインで入手可能
• Bonoli 他 Phys. Plasmas, Vol. 7, No. 5, 2000 年 5 月

• 公式サイト