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プリンストンプラズマ物理学研究所（PPPL）のアイデアは、破れたボウルの破片を金でつないで元のものよりも美しい最終製品を生み出す日本の金継ぎ技術にならっています。
イメージ提供：プリンストンプラズマ物理学研究所。詳細と画像は、プレスリリースリンクをクリックしてください。
このアイデアは、プラズマ（超高温の物質状態）を融合エネルギー源として利用するための新たなアプローチに影響を与えています。科学者たちは、反応を拘束する磁場の欠陥を利用してプラズマを向上させる方法を、『Nature Communications』誌の新しい論文で示しています。（リンク）
このアプローチは、PPPLのトカマク実験科学部の副責任者であり、論文の共著者であるジョセフ・スナイプス氏が「このアプローチにより、プラズマのコアとエッジの不安定性を同時にコントロールしながら高性能なプラズマを維持することが可能になります。その同時制御は特に重要で難しい。それがこの研究を特別なものにしています。」と述べています。
PPPLの物理学者であるサンムー・ヤンが、この研究チームを率いました。米国と韓国の様々な機関にまたがる研究チームです。ヤンは、この方法が磁場の欠陥を調整してプラズマをエネルギー源として活用可能にする初めての研究チームであると述べています。これらの磁場の欠陥はエラーフィールドとして知られています。
ヤンは「私たちの新奇な手法は、最適なエラーフィールド修正を特定し、プラズマの安定性を高めることが証明されました。この手法は、例えば、プラズマが高いおよび低い磁気封じ込み条件下にあるとき、異なるプラズマ条件下でプラズマの安定性を高めることが証明されました。」と述べています。
修正が難しいエラー
エラーフィールドは、通常、プラズマを保持する装置であるトカマクの磁気コイルの微小な欠陥によって引き起こされます。
これまでは、エラーフィールドは、非常に小さいエラーフィールドでもプラズマの中断を引き起こし、融合反応を停止させ、融合装置の壁を損傷させる可能性があるため、妨害物と見なされていました。したがって、融合研究者たちは、エラーフィールドを修正する方法を丹念に見つけるためにかなりの時間と労力を費やしてきました。
ヤンは「既存のエラーフィールドを排除するのはかなり困難なので、これらのコイルの不整合性を修正するのではなく、追加の磁場を融合容器を囲むプロセスであるエラーフィールド補正と呼ばれる手法を適用できます。」と述べています。
今まで、このアプローチでは、プラズマのコアの安定性にも影響を与え、融合発電用には適していないプラズマを生じていました。今回の研究では、プラズマのエッジの不安定性を除去し、コアの安定性を維持することができました。この研究は、PPPLの研究者が今日の融合技術と融合発電を電力網に導入するために必要とされるものの間のギャップを埋めている最たる例です。
PPPLのスタッフ研究員であり、論文の共著者であるサンキュン・キムは、「これは実際には非常に効果的なシステムの対称性を破る方法であり、人間は意図的に封じ込めを劣化させることができます。それはバルーンに非常に小さな穴を空けるのと同じです。爆発しないようにするために、バルーンの小さな穴から空気が漏れるように、プラズマのごくわずかな量がエラーフィールドから漏れ出るため、全体的な安定性を維持するのに役立ちます。」と説明しています。
プラズマのコアとエッジを同時に管理
融合反応を管理する中で最も困難な部分の1つは、コアとエッジのプラズマが同時に適切に振る舞うことです。両方の領域にはプラズマの温度と密度の理想的なゾーンがあり、これらのターゲットに到達しながら不安定性を排除することは難しいです。
この研究は、エラーフィールドを調整することで、コアとエッジのプラズマを同時に安定化できることを示しています。トカマクのコイルが生成する磁場を注意深く制御することで、研究者はエッジの不安定性（エッジ局所モード：ELMとも呼ばれる）を抑制し、混乱や著しい封じ込め損失を引き起こすことなくできました。
論文の共著者であるPPPLのスタッフ研究物理学者であるチンミン・フーは、「我々はデバイスを保護しようとしています。」と述べています。
KSTARを超えた研究
この研究は、韓国のKSTARトカマクを使用して実施されました。KSTARは、その磁気エラーフィールド設定を非常に柔軟に調整できる点で際立っています。この能力は、プラズマを安定化するために最も効果的なエラーフィールド設定を試行するために重要です。
研究者たちは、彼らのアプローチが将来のトカマク融合実験炉の設計に重要な影響を与えると述べており、これによりより効率的で信頼性の高いものになる可能性があります。現在、彼らはAIバージョンの制御システムに取り組んでおり、これによりシステムに期待される動作を教え、リアルタイムでプラズマを制御し、必要な予測とそれを実行する方法を事前に予測するためにその人工知能を使用できるようになると述べています。
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新しい論文では、KSTARの内部磁気コイルを使用した作業をハイライトしていますが、フーは、将来の研究で融合容器の外側の磁気コイルを使用することが有益であると提案しています。なぜなら、融合コミュニティは、真空封止容器内でそのようなコイルを収めるアイデアを避けており、プラズマの極端な熱からこれらの部品が損傷する可能性があるためです。
このプロジェクトには、韓国融合エネルギー研究所（KFE）、コロンビア大学、ソウル大学の研究者も重要な役割を果たしました。
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プラズマを保持する多数のデバイスが融合に入るように保持される間—得られるノウハウはどれも価値があります。プラズマの制御は非常に困難な活動です。それをうまく行い、融合を開始し、維持し、最終的にはエネルギーを収めるには、歴史上注目すべき挑戦になるでしょう。
Brian Westenhaus氏による情報：New Energy and Fuel
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