核融合炉に重要なプラズマ内部の電位変化を高精度計測~高効率加速器×非接触計測で実現~

2025-11-13 核融合科学研究所

この研究では、核融合発電の実現を目指す核融合研究所・東京大学・九州大学・米国ブルックヘブン国立研究所らの共同グループが、ヘリカル型装置「大型ヘリカル装置(LHD)」中の高温プラズマ内部における電位(プラズマ中の電気的なポテンシャル)変化を、世界で初めて高精度に非接触計測することに成功した。測定には、重イオンビームプローブ(HIBP)を用い、金負イオンビームを加速してプラズマ内に入射、電荷変化から内部電位を求めるという手法を改良。特に、負イオンビームの輸送効率を妨げていた空間電荷効果を数値シミュレーションで解明し、電極電圧の最適配置によりビーム透過率を95%以上に改善して実験に成功。これにより、電子加熱停止後の電位低下・その後の平坦化など、閉じ込め状態変化に伴う電位ダイナミクスを捉え、プラズマ閉じ込め性能の定量的理解が一歩進んだ。将来的には、核融合炉の運転制御や性能向上の実用的指標として重要視される。

核融合炉に重要なプラズマ内部の電位変化を高精度計測~高効率加速器×非接触計測で実現~
図1 LHDとHIBP計測器。左枠内は負イオン源からタンデム加速器入射側の拡大図。

<関連情報>

核融合プラズマ診断のための多段加速器における空間電荷緩和によるビーム輸送の強化 Enhanced beam transport via space charge mitigation in a multistage accelerator for fusion plasma diagnostics

M. Nishiura, K. Nakamura, K. Ueda, A. Shimizu, H. Takubo, M. Kanda, T. Ido and M. Okamura
Nuclear Fusion  Published: 13 October 2025
DOI:10.1088/1741-4326/ae0da1

Abstract

Efficient transport of high-current negative ion beams is critical for accurate plasma potential diagnostics using heavy-ion beam probe (HIBP) systems in magnetically confined fusion plasmas. However, strong space-charge effects often degrade transport efficiency, particularly for heavy ions such as Au. In this study, we demonstrate a substantial improvement in beam transport by introducing an electrostatic lens effect through optimized voltage allocation in a multistage acceleration system. Numerical simulations using IGUN, supported by experiments with the Large Helical Device-HIBP system, show that this approach effectively suppresses space-charge-induced beam divergence and loss. Without requiring mechanical modifications to the beamline, the optimized configuration enables a 2–3 fold increase in Au beam current injected into the tandem accelerator. Consequently, plasma potential measurements were extended to higher-density plasmas, reaching line-averaged electron densities up to 1.75×1019 m−3 with improved signal-to-noise ratio. This technique offers a compact, practical, and highly effective solution for transporting high-current heavy-ion beams under space-charge-dominated conditions. Beyond its impact on plasma diagnostics, the method is broadly applicable to a wide range of accelerator systems, including those used in scientific and industrial applications where high-intensity beam transport is required.

2001原子炉システムの設計及び建設
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