研究と応用のためのハイブリッドイリノイデバイス

ヒドラ

研究と応用のためのハイブリッドイリノイデバイス
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校に設置された完成した HIDRA デバイス (写真: ダニエル・アンドルチク)
デバイスタイプ	ステラレータ、トカマク
位置	米国イリノイ州アーバナ​
所属	イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
技術仕様
主半径	0.72 m (2 フィート 4 インチ)
マイナー半径	0.19 m (7.5 インチ)
磁場	< 0.5 T (5,000 G)
火力	26  kW (2.45 GHz マグネトロン、抵抗加熱)
歴史
運営年数	1972 – 1982 (WEGA、グルノーブルとして) 1982 – 2000 (シュトゥットガルトのWEGAとして) 2001 – 2013 (WEGA、グライフスヴァルトとして) 2014 – 現在 (イリノイ州アーバナのHIDRA として)

ハイブリッド・イリノイ研究応用装置（HIDRA ）は、米国イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の原子核・プラズマ・放射線工学科内のプラズマ物質相互作用センター（CPMI）が運営する、核放射線研究所に設置された中型のトロイダル磁気核融合装置です。HIDRAは2016年4月末に最初のプラズマを発生させ、同年12月までに実験キャンペーンを開始しました。HIDRAは、 2001年から2013年までドイツのグライフスヴァルトにあるマックス・プランク・プラズマ物理学研究所で運用されていた旧WEGA古典的ステラレータです。

HIDRA のユニークな点は、ステラレータとしてもトカマクとしても動作できることで、ハイブリッドと呼ばれています。実際、2 つのモードを同時に動作させることが可能です。最長 15 分間の連続プラズマを動作させ、将来的には最長 60 分間まで動作させ、核融合装置の真空容器内のプラズマと材料との複雑な関係を理解することに重点を置き、特に、このような装置内でのプラズマ対向材料としての流動する液体金属壁、特に液体リチウムの複雑な動作を理解することに重点を置きます。これにより、HIDRA は液体リチウムをプラズマ対向材料(PFM)として動作させることを検討している非常に数少ない核融合装置の 1 つとなっています。その他の装置には、 NSTX、LTX、EAST、T-11M、RFX、FTU、TJ-IIなどがあります。

HIDRA は世界で最もよく旅する核融合装置であると主張する人もいます。フランスで始まって以来、3 か国 4 都市で運用されています。この装置の研究目標は、波動加熱の研究から、世界で最も洗練された核融合装置の 1 つをテストすること、そして現在ではプラズマが核融合装置の内壁や材料とどのように相互作用するかを研究することへと、長年にわたって劇的に変化してきました。実際、HIDRA はプラズマ壁 (PWI)、プラズマ表面 (PSI)、プラズマ材料相互作用 (PMI) の研究に特化される、初のトロイダル核融合関連装置となります。

HIDRAは、1972年にフランスのグルノーブルにあるCentre d'Etudes Nucléairesで別の装置として始まりました。当時はWEGAと呼ばれ、1972年から1975年にかけて装置が建設されました。WEGAは、グルノーブルのCEAとドイツのマックスプランクプラズマ物理学研究所との共同プロジェクトで、RF加熱と低域混成加熱を研究しました。建設された真空容器は3つで、トカマクが2つ、ステラレータが1つでした。WEGAは、1976年にステラレータ容器を設置する計画があったにもかかわらず（ヘリカルコイル絶縁体の修理が必要だった）、1975年から1987年まで主にトカマクとして稼働しました^[1] 。達成された電子とイオンの温度は、T _e = 600〜900 eVと、T _i = 150〜250 eVでした。密度はn _e = 1.6×10 ¹⁹ m ^−3、プラズマ電流I _P = 45 – 60 kA、加熱電力P _ohm = 100 – 130 kW、P _RF = 100 kWです。典型的なパルス持続時間はΔt = 5 – 15 ms、エネルギー閉じ込め時間τ _E = 3 – 5 msでした。^[2]

その後、WEGAは「古典的なステラレータ」設計に変更され、トロイダルコイルはそのままに、4つのらせんコイルが容器の周囲を巻く新しい真空容器が採用されました。^{[3] [4]} 1982年に当時の西ドイツのシュトゥットガルト大学に移されるまで、ステラレータとして運用されていました。

1982年、WEGAはグルノーブルからドイツのシュトゥットガルト大学に移転しました。残念ながら、シュトゥットガルトではWEGAはあまり使われていなかったようです。この時期の情報はあまりなく、この18年間でどのような成果が出たのかを知るのは非常に困難です。問題は、加熱力と冷却力が十分でなかったことにあるようです。しかし、IPFはステラレータ真空容器を設置し、最初の磁束表面測定のいくつかを実施しました。^[5]

2000年から2001年にかけて、WEGAはシュトゥットガルトからグライフスヴァルトに移転した。この段階では、旧東ドイツの都市に、地域の経済、科学、教育の発展を刺激するための新しい研究所が建設されていた。MPIPPグライフスヴァルトは、最新のモジュラー式ステラレータW7-Xを収容する場所として指定されていた。W7-Xが建設されている間、WEGAは、W7-Xの診断、加熱、制御作業の多くをテストし、完成させる機械として導入された。^{[6] [7] [8]また、WEGAは、将来の世代の核融合およびプラズマ科学者やエンジニアのトレーニングと教育に貴重なツールを提供した。実際、名前は同じであったが、WEGAの頭字語は「Wendelstein Experiment in} Greifswald für Ausbildung」（グライフスヴァルトでの訓練のためのウェンデルシュタイン実験）に変更された。^[9]

WEGA の磁気コイルシステムは、定常運転を可能にする変圧器と整流器のセットを介して動作しました。これにより、通常はパルス駆動される小型のトロイダル核融合装置の中で WEGA はユニークな存在となり、そのような定常運転能力を持つのは LHD や W7-X などの大型装置だけです。WEGA での成果の 1 つに、プラズマ内の電子のカットオフ密度を超える ECRH 加熱を可能にする OXB 加熱方式の開発があります。^{[10] [11]}これにより、温度が平均で約T _e = 15 eV、密度が約 n _e ~ 10 ¹⁸ m ⁻³となり、密度をほぼ 100 倍に高めることができました。^{[12] [13] [14]}イオン温度は T _i = 1-2 eV でした。^[15] W7-X 制御システムは WEGA でテストされ、プラズマパラメータの測定と装置の制御のリアルタイム能力を示しました。ステラレータであるにもかかわらず、プラズマをマイクロ波で加熱することでプラズマ電流を駆動できることが実証されました。^{[16] [17]}

さらに、重イオンビームプローブ（HIBP）も開発され、電気プラズマ電位の半径方向プロファイルの測定が可能になった。^{[18] [19]} 2013年に最後の実験が行われ、W7-Xの運用が本格化するにつれてWEGAは徐々に廃止されていった。^[20] WEGAは廃棄されるか、適切な研究グループが見つかれば寄付される予定だった。2013年秋に適切な寄付先であるイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校が見つかり、2014年夏に移管の詳細が完了した。

2014年にW7-Xの運用が開始され、WEGAとその電力システムが占めるスペースは、トムソン散乱システムと極低温ペレット注入システムに必要なスペースを圧迫していました。2013年のSOFE会議で、WEGAの元ポスドクであるダニエル・アンドルチク氏が元同僚と会い、イリノイ大学がWEGAを米国に持ち込む可能性があることが提案されました。プラズマ物質相互作用センターのディレクター、デビッド・ルジック氏、大学、IPPの間で1年間の交渉が行われた後、それを実現するための資金が確保されました。アンドルチク氏は、WEGAを解体してイリノイ州アーバナ・シャンペーン・キャンパスに輸送するプロジェクトを主導するために採用されました。到着後、マシンは研究およびアプリケーションのためのハイブリッドイリノイデバイスと改名されました。ハイブリッドなのは、ステラレータ機能だけでなく、トカマク機能も備えているからです。

2014年秋、ドイツで装置の解体に8週間近くかかり、10月に梱包されて米国に発送された。11月4日初めまでに、輸送コンテナに積まれた核融合装置が平床トラックでイリノイ大学プラズマ物質相互作用センターに到着した。^[21]研究室の職員以外にも、大学の施設・サービス部門が、より大きく重い部品の荷降ろし、搬入、組み立てに大きく関わっていた。建設は、まずらせん状およびトロイダル磁気コイル用の変圧器と整流器を搬入することから本格的に始まった。これらが設置されると、基礎が搬入され、ヨーク、センタースタック、ハーフトーラス、垂直磁場コイルがすべて次の10日間で設置された。^[22]

HIDRA は、将来の核融合科​​学者やエンジニアを養成するための教育ツールです。この機械のすべては学生が使用できるように作られています。制御システムは上級学部生と大学院生によって作成され、LabView プログラムを介して 1 台のコンピューターから機械を制御できます。また、さまざまなデータ収集および診断システムを作動させるために必要なトリガー信号も送信されます。HIDRA は基本的に 1 人で制御および実行できます。^[23]

2016年4月、HIDRAは原子力・プラズマ・放射線工学部のオープンハウスで、最初のプラズマ、単純なグロープラズマ放電を経験しました。NPRE部門長やグレインジャー工学部学部長を含む約100人の高官やゲストを前に、HIDRAチームは、デバイスのすべての動作コンポーネントがインストールされ、動作しており、操作を開始できることを実証することができました。午後4時頃に120秒の短いプラズマ放電が開始され、マシンの動作能力が実証されました。その後、HIDRAはデバイスのさらなる設置と試運転のために3か月間停止しました。アップグレードと設置が完了すると、磁石とHIDRAの動作の性能を確認する最初の一連の特性評価実験が行われました。^[24]

最初のデータセットは、装置の磁束線の特性評価でした。この研究では、もともとWEGAでW7-X用に開発された社内の電子ビームと蛍光棒法を使用して、磁場の形状、ひいてはプラズマの形状がどのようになるかを調べました。ビームは真空容器の短半径を横切ってスキャンされ、ロッドは容器内を掃引されます。電子ビームがロッドに当たった場所はどこでも点灯します。感度の高い天文カメラを使用して磁束面を画像化し、レイトレーシングコードと比較して、プラズマの妥当性と存在するエラーフィールドを調べました。ガスを少し流して、電子ビーム自体を視覚的に確認することもできました。^[25]

磁場を監視するために使用される DC 磁気プローブが 2 つあります。容器の端に静的プローブが 1 つあります。これはプラズマ放電中の磁場を監視するために使用されます。真空中の往復プローブに取り付けられた 2 つ目の DC 磁気プローブがあり、磁場(プラズマなし) の放射状スキャンが可能です。プローブ自体は回転可能で、水平、垂直、らせん状の磁場を測定できます。このプローブは主に、磁場がプラズマに与える影響を理解するために、大学の秋学期のプラズマ実験クラスで使用されます。

HIDRA 磁場操作の興味深い効果は、トロイダル磁場を一定に保ったままらせん磁場を徐々に下げることができ、電子ビームを注入して電子のドリフトを視覚化できることです。 ${\displaystyle \nabla B}$

2017 年のほとんどと 2018 年の一部はフラックス表面の測定と機械の動作の検討に費やされ、最初のマグネトロン プラズマは 2018 年末に開始されました。2.45 GHz マグネトロン システムは、電子サイクロトロン共鳴加熱プラズマの生成に使用されます。現在は 6 kW システムのみが稼働していますが、これはT _E = 10 – 20 eV 程度の電子温度と最大n _e = 13×10 ¹⁸ m ⁻³のプラズマ密度を生成するのに十分です。イオン温度はヘリウムイオンラインのドップラー広がりを使用して測定されており、通常は電子温度の約 10% です。20 kW マグネトロン システムがあり、稼働開始後に将来利用可能になります。

2016年から2019年まで、HIDRAとCPMIは、長パルスプラズマ動作用の液体リチウムシステムを開発するための国際協力に参加しました。磁束面とマグネトロン動作の確認は液体金属技術の開発の一環であり、米国と中国のいくつかの研究所と共同で行われました。^[26]

このシステムは定常動作用に設計されています。現在、最短持続時間のプラズマ パルスはt = 40 秒で、フラット トップ持続時間はt _flat = 20 秒です。典型的な実験実行では​​、磁場のない状態が 5 秒続き、その後 5 秒かけて目的の磁場強度まで上昇します。パルスの最後には 5 秒のランプダウンがあり、さらに 5 秒は磁場がありません。最長持続時間のプラズマ放電は現在 1000 秒です。これらは現在 HIDRA でかなり日常的に実行されており、実行中の PMI 実験に不可欠です。HIDRA での典型的なプラズマ電力実行は、1.2 kW < P _heat < 5.4 kW の範囲です。

ラングミュアプローブを備えた高速往復アームは、電子温度T _e、電子密度n _e、浮遊電位V _f、プラズマ電位V _Pの半径方向プロファイルを測定するために使用されます。測定とデータの保存には約 52 秒かかります。1000 秒の放電では、プラズマの空間的および時間的プロファイルを取得するために、約 18 の半径方向プロファイル測定を行うことができます。これは、密度と温度の測定にも使用される分光衝突放射モデル (CRM) 技術を補完し、ベンチマークするためのものです。

2019年にHIDRA材料分析テストスタンド（HIDRA-MAT）が稼働し、タングステンサンプルの最初の暴露が行われました。^{[27] HIDRA-MATは、}真空を破ることなく表面特性評価、つまり真空中測定を行えるように設計されました。この機能により、表面の時間的変化の研究も可能になります。HIDRA-MATは、 LTXおよびNSTXで効果的に使用されている材料分析粒子プローブ（MAPP）に基づいています。システムヘッドにより、材料サンプルを安全にマウントし、HIDRAプラズマにさらすことができます。プローブヘッドは1000 ^℃まで加熱でき、800 mmのストロークを持つ移動ステージに取り付けられています。プローブヘッドは、+90^度から-90^{度まで回転することもできます。+90度}の位置では、液体リチウムインジェクターが制御された液体リチウムの液滴を材料表面に配置できます。^[28]その後、プローブを0^度まで回転させてプラズマ内に挿入することができる。さらに、-45^度の位置では、表面をLIBS/LIDSレーザーにさらすことができる。

プラズマ燃料ガスを用いた表面の保持研究を実施することができます。例えば、D ₂ + Heプラズマとタングステン表面を加熱し、サンプルを加熱脱離分光法（TDS）測定を行うことができます。2つのガス（両方とも質量4）を区別するために、一方のガスをもう一方のガスから減算できるデュアルRGAシステムが開発されました。^[29]

液体リチウムを使用した最初のプラズマ操作は、2021 年 3 月に実施されました。これは、HIDRA-MAT に取り付けられたタングステン基板を介して行われ、その表面にリチウムの滴 ( m _Li = 100 mg) が置かれました。これは、600 秒、5.4 kW のプラズマに挿入され、島の近くの a = 1/4 プラズマのスクレイプオフ層エッジで露出されました。最初の PMI が観察され、最終的にすべてのリチウムが表面から蒸発しました。ただし、リチウムがプラズマと相互作用してイオン化されると、HIDRA 真空チャンバーへのヘリウムの一定した流れにもかかわらず、壁からリサイクルされていたバックグラウンド ヘリウム ガスが消えました。その結果、プラズマ温度はT _e = 18 eVからT _e = 50 eV 以上に上昇しました。HIDRA-MAT の表面温度は 2000 ^o C 以上に急上昇し、モリブデン クリップが溶けました。プラズマにさらされたECRHアンテナの角もPMIの増加により溶けてしまった。^[30]${\displaystyle \iota}$

ヘリウムがリチウムによってどのように排出されるかのメカニズムはまだわかっていません。そのため、2021年11月に新しいリチウムキャンペーンが実施され、何が起こっているのかをより深く理解しようと試みられました。2022年には、水素、重水素、H ₂ /He混合プラズマを用いた研究も実施される予定です。これらの研究は、PPPL、ORNL、UIUCが取り組んでいる国内液体金属PFCプログラム^{[31]の重要な部分です。主な懸念事項の1つは、}水素種の保持と液体リチウムによるヘリウムの排出です。HIDRAとHIDRA-MATには、これを調査する機能があります。

プラズマ物質相互作用 (PMI) は核融合炉の運転において極めて重要な役割を果たしており、これらの現象を研究するには専用のトロイダル マシンが必要です。HIDRA はタングステン ファズ (W ファズ) を研究するために必要な条件に到達できると予想されています。すでに、いくつかの条件下では、ファズ形成の前兆が観察されています。HIDRA の長パルス特性は、W ファズ形成に必要なフルエンスを達成できることを意味します。プラズマ化学は、研究が必要なもう 1 つの重要な側面です。これは、核融合運転に有害な分子だけでなく、ダスト形成、マシン周辺での物質の再堆積、および「UFO」形成にもつながります。核融合研究において、UFO は「未確認飛行物体」を指し、真空容器の周囲に形成され移動する火花や明るい点として見られます。これらは、磁力線に閉じ込められることもあれば、閉じ込められないこともあります。その起源は通常は見えず、カメラで見ただけでは何であるかを判断することはできません。そのため「UFO」と呼ばれています。2021年にHIDRAでリチウム実験が行われていたときに、このようなUFOが観測されました。

• ハイブリッドイリノイ研究応用デバイス (HIDRA)
• プラズマ物質相互作用センター (CPMI)
• 原子力・プラズマ・放射線工学科 (NPRE)
• イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校