マディソン対称トーラス

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マディソン対称トーラス
デバイスタイプ	逆フィールドピンチ
位置	マディソン、ウィスコンシン州、米国
所属	ウィスコンシン大学マディソン校
リンク
Webサイト	MST公式サイト

マディソン対称トーラス( MST ) は、核融合エネルギー研究と天体プラズマの両方に応用される逆転磁場ピンチ(RFP)物理実験です。

MST は、ウィスコンシン大学マディソン校の磁気自己組織化センター (CMSO) にあります。

RFP は、与えられた平均磁場に対してより高い電力密度とより優れた閉じ込め特性を持つ傾向があるという点で、トカマク(最も一般的な磁気閉じ込め方式)とは大きく異なります。また、RFP は非理想的な現象と乱流効果によって支配される傾向があります。

このような実験のほとんどと同様に、MSTプラズマはトロイダル ピンチです。つまり、プラズマはドーナツのような形をしており、そこを流れる大電流によって生成される磁場によって閉じ込められています。MST は、逆転磁場ピンチ(RFP)と呼ばれる、従来とは異なる種類の装置に分類されます。RFPは、プラズマに浸透するトロイダル磁場が端の近くで自発的に方向を反転するため、このように名付けられています。

逆磁場ピンチは、他のトロイダルピンチ装置と同様に、関連するコンデンサバンクまたはその他の高電流電源からプラズマに電流を流すことによって形成されます。トカマクではトロイダル磁場はポロイダル磁場よりもはるかに強力ですが、逆磁場ピンチではその逆です。実際、逆磁場ピンチでは、外部から印加されるトロイダル磁場は起動後すぐにオフになります。

RFP 内のプラズマは、トカマク内よりも壁にかなり近い位置にあります。これにより、磁力線の特殊な配置が可能になり、磁力線が新しい状態に「緩和」して、プラズマ内の総磁気エネルギーが最小化され、総磁気ヘリシティが保存されます。テイラー状態と呼ばれる緩和状態は、磁力線の特殊な配置によって特徴付けられ、端のトロイダル磁場が自発的に方向を反転します。

ほとんどのトロイダル閉じ込め方式と同様に、RFP はプラズマとそれを閉じ込める磁場を生成するために一時的な電流バーストに依存しています。しかし、RFP が核融合エネルギー候補として実現可能であるためには、プラズマが定常電流源によって維持される必要があります。OFCD は、トロイダルおよびポロイダル磁場にかなりの振動摂動を加えて、プラズマに電力とヘリシティの両方を注入することにより、緩和されたプラズマに定常電流を流す方式です。同様のアプローチが特許取得され、ロッキード・マーティンのコンパクト核融合炉に提案されました。^[2]

プラズマ内の非線形反応により、2 つの振動が結合され、平均して安定した電流が維持されます。

RFP が直面している課題の 1 つは、エッジからゆっくりと浸透する重水素ガスに頼るのではなく、プラズマの高温コアに直接燃料を供給することです。ペレット インジェクターは、ガスの噴射または機械的なパンチを使用して、凍結した重水素ペレットをプラズマに発射します。ペレットはプラズマのコアに移動する間に 気化およびイオン化されます。

すべての勾配は自由エネルギーの源であり、特に磁場を横切る場合はその傾向が顕著です。MST では、電流はエッジよりもコアの方が強くなります。このピーク電流プロファイルは、磁気変動の自由エネルギー源として機能し、プラズマ内で鋸歯状波と呼ばれる激しい現象を引き起こします。

PPCD は、プラズマの端で電流を流して電流プロファイルを平坦化することで、この効果を軽減します。トロイダル磁場を駆動する電源電流に小さなパルスが追加されます。結果として生じるパルストロイダル磁場は、ファラデーの法則の助けを借りて、ポロイダル電場とポロイダル電流を生成します。MST に関する多くの研究は、この効果の研究と、強化された閉じ込めへの応用に充てられています。

持続的な核融合反応を開始するには、通常、プラズマを加熱するためのさまざまな方法を使用する必要があります。中性ビーム注入(NBI) では、中性原子(通常は水素または重水素)の高エネルギービームをプラズマの中心に注入します。これらのエネルギー原子はエネルギーをプラズマに伝達し、全体の温度を上昇させます。注入された中性原子は中性のままではありません。

ビームがプラズマを通過すると、原子はプラズマ内のイオンに跳ね返ってイオン化されます。トーラス内の磁場は円形に曲げられているため、高速イオンは背景プラズマに閉じ込められると期待されます。閉じ込められた高速イオンは、空気抵抗によって野球ボールが減速するのと同じように、背景プラズマによって減速されます。高速イオンからプラズマへのエネルギー伝達により、プラズマの温度が上昇します。実際のインジェクターは、観察ウィンドウから見ることができます。横向きに置かれた長い銀色の円筒のように見えますが、機械の背面近くのトーラスに対してわずかに下向きに傾いています。インジェクターにパルスが印加されると、20,000 ボルトでビームが約 1.5 ミリ秒間、約 30 アンペアの電流に加速されます。

高速イオンがプラズマ内に閉じ込められてエネルギーを蓄える時間が十分長くないと、問題が生じます。この種の装置では、磁気変動によって、正常に機能するはずの磁場が乱れ、プラズマ閉じ込めが困難になります。高速イオンがこの種の動作の影響を受けやすい場合、非常に速く逃げ出すことができます。しかし、そうではないことを示す証拠があります。

EBW は Electron Bernstein Wave (電子バーンスタイン波) の略称で、プラズマ物理学者のIra Bernsteinにちなんで名付けられました。

バーンスタイン波モードは、プラズマにイオンまたは電子エネルギー（IBWまたはEBW）を注入して温度を上昇させ、核融合条件に到達しようとする方法です。プラズマは、雷や放電中に自然に発生する物質の相であり、核融合炉で人工的に生成されて非常に高い温度を生成します。^[3]

これはプラズマを加熱し、プラズマ内に電流を流すための MST の実験です。

この装置内のプラズマには大きな電流が流れており、逆磁場ピンチ構成を作るのに必要な磁場を作り出す役割を果たしています。また、トースター内の配線が熱くなるのと同じように、プラズマを非常に急速に加熱します。トースターはおそらく約 10 アンペアの電流を使用しますが、MST 内のプラズマは最大 600,000 アンペア加熱されます。しかし、プラズマが華氏 10,000,000 度以上に達したとしても、実用的な核融合エネルギーを得るには熱が足りず、プラズマにエネルギーを注入する別の方法を見つける必要があります。EBW は、マイクロ波電力を注入してプラズマをさらに加熱する方法です。標準的な電子レンジは、周波数 2.45 GHz で約 1 kW の電力を生成します。EBW 実験では現在、3.6 GHz で 150 kW を生成しており、2 MW 以上にアップグレードすることがチームの目標です。この種の電力を（低予算で）生成するには、廃止された軍用レーダー機器と自家製の電圧電源が使用されます。

EBW 実験の 2 つ目の (そしておそらく科学的にもっと重要な) 目標は、プラズマ内の所定の場所に電流を流すことです。プラズマの主電流は自然に分散し、プラズマは電流を中央に集中させる傾向があり、エッジ付近の電流は少なくなります。これによりプラズマが不安定になることがあります。エッジで電流を流すと、磁場の変動に対してプラズマがより安定し、その結果、高温プラズマの閉じ込めが改善され、温度が大幅に上昇することが (理論的にもマディソン対称トーラスでの実験でも) 実証されています。この安定化電流を流すために EBW を使用することは、非常に重要な科学的成果となります。補助電流を非常に具体的に流すことができるため、電流駆動方式を最適化する機会が得られます。加熱も非常に局所的であるため、この磁気閉じ込め方式内でプラズマが (少なくとも局所的に) どの程度高温になるかを調べることができます。プラズマ物理学の用語では、これをベータ限界の発見と呼びます。これは RFP では未回答の質問であり、このタイプの機械をコスト効率が高く効率的な核融合炉にまでスケールアップできるかどうかについての洞察を与えるでしょう。

重イオンビームプローブ (HIBP) は、カリウムイオンをプラズマに発射します。その軌道を測定することで、プラズマ内部のいくつかの重要な特性のプロファイルが得られます。

この多目的診断ツールは、磁気閉じ込め核融合実験において、プラズマの 電位、電子密度、電子温度、磁気ベクトルポテンシャルを決定するために使用されてきました。

ナトリウムイオンの流れ（一次ビーム）が、イオン銃から磁場を越えてプラズマに注入されます。単一電荷の粒子がプラズマを通過すると、さらにイオン化され、二重電荷の二次ビームが生成されます。

二次イオンはその後プラズマの外で検出され、分析されます。軌道を曲げることによって、磁場は二次イオンを一次イオンから分離します。このため、特定のプラズマ位置でイオン化された二次イオンのみが特定の検出器位置に到達します。これにより、HIBP はイオン化位置に限定した測定を行うことができます。二次電流は、局所的な電子密度と一次イオンのイオン化断面積に関連しており、一次イオンのイオン化断面積自体は電子温度の関数です。電位は、一次イオンビームと二次イオンビームのエネルギー差から取得できます。二次ビームのエネルギーは、エネルギー分析装置に入る角度から決定できます。

MST-HIBP システムは以下から構成されます。

1. 診断用イオンビームを形成、集束、加速する 200 keV 静電加速器。
2. ビーム伝送とステアリングを提供するスイープシステムを備えた一次ビームラインと二次ビームライン。
3. 二次ビームのエネルギー、強度、位置を測定する静電分析装置。
4. 一次ビーム検出器やプラズマ/UV抑制構造などを含む補助コンポーネントおよびシステム。

FIR（遠赤外線）は、波長が 1 ～ 10 mm の光を指します。MST の FIR システムは、2 階の廊下にある写真の右側にあるベージュ色のレーザー安全室に収められた FIR レーザーに基づいています。

システムには 4 つの FIR レーザーがあります。1 つはCO2レーザーで、約 120 W の連続出力を生成します。このビームは 3 つに分割されます。各ビームは、波長 432.6 mm、出力約 20 mW で動作するギ酸蒸気レーザーを光学的にポンピングします_。FIRシステムには、干渉法と偏光法の 2 つの動作モードがあります。

FIR 診断システムは何を測定するのですか?

電子密度、プラズマ電流密度、磁場は、MST の 3 つの重要なプラズマパラメータです。FIR システムは、それらの空間的および時間的分布を測定するために使用されます。

FIR 干渉法はどのように機能しますか?

ガラスと同様に、プラズマは真空（または空気）とは異なる 屈折率を持ち、その屈折率はプラズマの電子密度に依存します。

1 本のレーザー ビームをプラズマ (プローブ ビーム) に通し、もう 1 本を空気 (参照ビーム) に通して、それらの間の位相差を測定します。この実験構成はマッハ ツェンダー干渉計と呼ばれます。測定された位相は、ビーム経路に沿った平均プラズマ電子密度に比例します。

MST では、複数のプローブ ビーム (図の青い線) を異なる半径でプラズマに送ります。次に、アーベル反転技術を適用してプラズマの電子密度のプロファイルを取得します。

FIR 偏光測定はどのように機能しますか?

プラズマは光学的に活性な媒体でもあり、直線偏光した電磁波が磁場に対して平行（または反平行）に伝播する場合、プラズマから出る波の 偏光は小さな角度で回転します。

これはファラデー回転と呼ばれ、角度はファラデー回転角と呼ばれます。FIR システムはファラデー回転を測定します。これは、電子密度の線平均とビーム経路に平行な磁場成分の積に比例します。

ファラデー回転の理由は次のとおりです。直線偏光波が磁力線に沿って伝播するとき、左回りと右回りの円偏光成分に分解されます。プラズマから出るときにそれらの位相差により、再結合した直線偏光波の偏光方向が回転します。MST では、プラズマをプローブするために、共伝播する逆回転波を 2 つ発射します。次に、これら 2 つのビームの位相差を測定します。これはファラデー回転角の 2 倍になります。

図では、11 本の青いプローブ ビームのそれぞれが、2 本の反対方向に回転する円偏光ビームの組み合わせで、干渉計と同じ弦に沿ってファラデー回転角を測定しています。組み合わせた干渉計の位相とファラデー回転角を組み合わせることで、ポロイダル磁場分布を判定できます。アンペールの法則を使用すると、トロイダル プラズマ電流も判定できます。

FIR 診断システムはどの程度機能しますか?

MST の FIR システムは非常に正確です。MST プラズマのファラデー回転角は通常 5 度以内です。このような小さな信号を測定するために、0.06 度の精度を達成しました。時間分解能は 1 マイクロ秒未満です。

FIR に関連する研究テーマにはどのようなものがありますか?

FIR は、基本的なプラズマ パラメータに関する情報を提供するため、MST のほとんどの研究テーマにとって不可欠なツールです。このシステムは、電子密度、トロイダル電流、ポロイダル磁場、およびそれぞれの空間プロファイルを測定します。

現在、プラズマ複屈折効果、またはコットン・ムートン効果を利用して、トロイダル磁場とポロイダルプラズマ電流を測定する可能性を模索しています。直線偏光した電磁波が磁場に対して垂直に伝播する場合、屈折率は波の偏光が磁場の方向に対して平行か垂直かによって異なります。

FIR レーザーを選択する理由は何ですか?

プラズマ偏光測定- 干渉測定の場合、私たちが選択した波長は、測定可能なプラズマ誘起位相変化を提供するのに十分な長さですが、ビームの曲がりを含む複雑なプラズマ波相互作用を回避するのに十分に短いです。この波長範囲で利用できる高出力分子レーザー線は多数あり、市販の検出器も多数あります。

トムソン散乱とは何ですか?

トムソン散乱は、光子 (電磁波) と電子などの荷電粒子との衝突の結果です。電子と光子が「衝突」すると、電子は光子の振動する電場と磁場からローレンツ力を感じ、加速されます。この加速により、電子は異なる方向に異なる光子を放出します。放出された光子の波長は、電子のエネルギーに応じた量だけ入射光子の波長からシフトします。別の見方をすると、電子は光子のエネルギーを吸収し、そのエネルギーを異なる電磁波の形で再放出します。電子による光子のこの散乱は、トムソン散乱と呼ばれます。

トムソン散乱はプラズマ物理学者にとってどのように役立つのでしょうか?

散乱光子の波長は散乱電子のエネルギーに依存するため、トムソン散乱は電子のエネルギーを測定するのに適した方法です。これは、既知の波長の光子を生成し、散乱光子の波長を測定することによって行われます。MST のトムソン散乱構成では、世界最高の時間分解能の電子温度測定値を生成する1064 nm Nd:YAG レーザーシステムを使用します。 ^[4]私たちは高出力レーザーで光子を生成し、それを MST の上部にある窓に照射し、MST の側面にある大きな収集レンズで散乱光子を収集します。

散乱した光子の波長分布からプラズマ内の電子のエネルギー分布がわかり、電子の温度を直接、目立たずに測定できます。また、実際に収集した光子の量からプラズマ内の電子の密度もわかります。

核融合プラズマは、通常、中性ガスのイオン化によって生成されます。ほとんどの場合、プラズマ燃料として重水素が使用されます。したがって、これらのプラズマは主に重水素イオン (および電子) で構成されており、関連するプラズマ物理を理解するには、これらのイオンの挙動を診断する必要があります。ただし、どの核融合装置でも、他の種類のイオン (「不純物」) も存在します。これらは、燃料を注入する前に核融合炉で完全な真空を実現できないために自然に存在します。したがって、水蒸気、窒素、炭素などの物質は、通常のプラズマ放電で少量見つかります。プラズマ放電中にプラズマ壁の相互作用により不純物が生成されることもあります。

これらの相互作用は主に、壁からの物質がスパッタリングを通じてプラズマに放出される原因となります。マディソン対称トーラス (MST) では、イオン種間の強い相互作用の結果として、不純物イオン (炭素、酸素など) の特性は重水素イオンの特性と密接に関連しています。したがって、不純物イオンの測定は、原理的には重水素イオンに関する直接的な情報を提供します。不純物イオンの温度 ( T _i ) と流速 ( v _i ) の測定値は、MST で電荷交換再結合分光法 (CHERS) を使用して取得されます。

CHERS プロセスは、電荷交換と放射崩壊の 2 つの段階に分けられます。第 1 段階では、電子が中性原子 (例: 重水素) から電子を持たない不純物イオン (例: C ^{+6 ) に転送されます。この転送中、電子は通常、不純物イオンの}励起状態(高エネルギー レベル)に巻き込まれます。電子が基底状態(最小エネルギー レベル)に崩壊すると、エネルギー保存則により、不純物イオンから放射が放出されます。この放射には、特定の電子遷移の初期原子レベルと最終原子レベルのエネルギー差に対応する離散的なエネルギー値、つまり波長があります。たとえば、重水素原子と C ⁺⁶イオン間の電荷交換を考えてみましょう。電子が炭素イオンのn =7 エネルギー レベルに移動すると、イオンは、 n =7 とn =6 レベル、n =6 とn =5 レベル、 n =5とn = 4レベルなど ( n=1まで) のエネルギー差によって決まる離散エネルギーで放射線を放出します。この線放出は、イオンの熱運動の結果としてドップラー広がり、イオンの流れの結果としてドップラーシフトします。ドップラーシフトにより、イオンが観測点に向かって移動している場合は放射が青方シフト (波長が短くなる/周波数が高くなる方向) し、流れが観測点から離れている場合は赤方シフト (波長が長くなる/周波数が低くなる方向) します。したがって、炭素放出線の形状の測定は、不純物イオンの温度と速度の値を抽出するために使用されます。

電荷交換：H + C ⁺⁶ →

H ⁺¹ + C ⁺⁵ ( n=7 , l=6 )

放射崩壊：C ⁺⁵ ( n=7 , l=6 ) →

C ⁺⁵ ( n=6 , l=5 ) + h (光子)

典型的な核融合装置では、中性原子の密度は小さい。したがって、不純物イオンと中性原子間の電荷交換から生じる放射放出量も小さい。MST では、中性原子の密度は、診断用中性ビーム (DNB) による高速水素原子の注入によって高められる。その結果、放射放出は大幅に増加するが、主にビーム注入経路に沿って増加する (DNB はデッキの下にあり、ここからは見えない。注入経路はプラズマを横切って右から左に向かう)。ビーム経路に垂直に、さまざまな半径位置でプラズマを観察するための光学ポートがいくつかある。特定のプラズマ放電に対して、ファイバー バンドル システムがこれらのポートの 1 つに配置され、視線に沿って放出を収集するために使用される (装置上部の黒いチューブには光収集光学系が含まれ、使用されていないときは、ファイバーは長く湾曲した白いチューブ内に置かれる)。この放出は分光計に送られ、そこで 1 組の光学格子によって、対象の放出線を中心とする有限の波長範囲にわたって分散される。しかし、収集された放射はビーム経路に沿った放射が大部分を占めるため、測定値は事実上、ファイバービューとビームの交差体積に限定されます。MST では、この交差体積はプラズマ体積に比べて小さい(約 2 cm ^{3 ) ため、} T _iおよびv _iの空間分解測定値を得ることができます。ファイバー束システムの位置が異なる多数のプラズマ放電から収集されたデータは、不純物イオンの温度と速度の放射状プロファイルを作成するために使用され、MST のプラズマの物理的性質を理解するための重要な情報を提供します。MST の CHERS によって測定される典型的なイオン温度は、プラズマ内の位置と放電の種類に応じて、100 ～ 800 eV (200 万～1,700 万度) の範囲です。同様に、測定された平衡イオン速度は、1,000 ～ 10,000 メートル/秒のオーダーです。