米プリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）の研究チームは、核融合プラズマを先に加熱し、その後で密度を高める点火への経路を計算で示しました。この方法では従来と異なる順序で進み、点火に必要なエネルギーを抑えられる可能性がありますが、実験ではまだ検証されていません。
密度を高める前にプラズマを加熱
核融合では、原子核を含む高温のプラズマを、反応が自ら続く状態まで加熱します。この状態を「点火」と呼び、外部から加熱を続けなくても、核融合反応の熱でプラズマが維持されます。
研究チームは、点火に必要な温度や密度などの条件を判定するローソン条件を拡張し、点火に至る経路を調べました。従来の考え方では、まずプラズマの密度を上げ、その後に熱を加える経路が想定されていました。
今回の計算が示すのは、その逆の経路です。先にプラズマを加熱してから密度を上げます。研究チームは、点火条件へ向かう途中にある「Cordeyサドル」と呼ばれる領域を通る経路を、エネルギー面で有利な道筋として示しました。
Q値5は点火そのものではない
Q値は、核融合反応で生じる出力を、プラズマに供給する加熱出力で割った比率です。たとえばQが5なら、核融合出力は外部加熱出力の5倍です。
QSTの用語解説では、Qが1の状態を臨界プラズマ条件とし、核融合出力と外部加熱出力が等しい状態と説明しています。外部加熱なしで反応が維持される自己点火は、臨界条件より先の段階です。
PPPLの計算では、純粋な燃料だけを仮定した場合、CordeyサドルはQ約5に位置します。この数値は点火達成を意味せず、外部加熱をなお必要とするプラズマが、自己維持する状態との境界へ向かう途中の目安です。
不純物や熱損失も計算に組み込む
研究チームは、従来は個別に扱われることが多かった複数の物理要因を、一つのモデルに組み込みました。対象には、核融合反応で生じて燃料を薄めるヘリウム、不純物、磁場中を動く電子が放つ放射、プラズマから逃げる熱が含まれます。
特にタングステンは核融合装置の内壁材として使われますが、プラズマに混ざると点火条件を厳しくする可能性があります。計算では、濃度が1万分の1でも点火に必要な圧力がおよそ2倍になり、解析を三次元に広げると、プラズマが安定を保てる限界を超える場合があるとされました。
一方、研究チームの計算では、熱損失には点火を難しくするだけでなく、核融合の熱が反応をさらに強める「熱的暴走」を抑える働きもあります。PPPLは、液体リチウムで内壁を覆ってタングステンの混入を防ぐ方法や、原子核のスピンをそろえた燃料で反応率を高める方法も挙げています。
実験での検証はこれから
研究対象は、磁場でプラズマを閉じ込めるトカマクとステラレーターです。PPPLは、今回の枠組みを設計段階で使い、ヘリウムや不純物、熱損失などを含めて点火条件を評価することを目指しています。
今回の成果は数式に基づく理論研究であり、実験で実証されたものではありません。既存の核融合実験は、Cordeyサドルに相当する温度に達していないため、研究チームはまず計算機シミュレーションによる「デジタル実験」で、先に加熱する経路を調べる予定です。
実機でも熱を先に加える手順によって必要エネルギーを抑えられるかは、今後の検証が必要です。研究チームは追加の研究を通じて計算の予測を調べ、将来の核融合炉設計に役立てる考えです。
