日本の研究者たちは、マイクロ波に基づくプラズマ測定システムを開発しました。このシステムは、最大34点の核融合プラズマを同時に監視でき、長時間の継続運転が可能であり、この能力は将来の核融合炉に必要なリアルタイム監視の改善が期待されています。このシステムは三菱電機、京都大学先進エネルギー研究所、日本国立融合科学研究所（NIFS）が共同で開発し、京都大学のHeliotron J核融合実験設備でのデモに成功しました。チームによると、この新しいシステムは、周波数コームマイクロ波とダブルコームダウンコンバージョン法を組み合わせることにより、世界的に先進的な性能を提供し、プラズマ放電プロセス全体で安定した長時間測定を行うことができます。
研究者たちは、この技術がプラズマ診断を支援することを目的としており、180万華氏度以上の核融合プラズマの挙動を監視するために重要であると述べています。
マイクロ波に基づくプラズマ測定システムが核融合炉の監視を改善
従来の診断方法がプラズマの近くに装置を配置する必要があるのに対し、マイクロ波に基づく測定は、重要なコンポーネントをプラズマから分離することを許可し、将来の核融合炉内での中性子放射線への曝露を減少させます。核融合は潜在的なカーボンフリー電力源として広く見なされていますが、安定したプラズマを維持することは依然として最大の工学的課題の一つです。リアルタイム測定により、研究者たちはプラズマ条件を監視し、運転パラメータを調整して、安全かつ効果的に核融合反応を維持することができます。
この新しい診断システムは、均等に間隔を置いた複数の周波数を含む周波数コームマイクロ波を使用しています。マイクロ波がプラズマに入ると、その周波数に応じて異なる電子密度で反射されます。ドップラー効果によって引き起こされる周波数シフトを分析することで、研究者たちは複数の位置でのプラズマの動きを同時に測定できます。少ない位置を監視する従来のシステムとは異なり、この新しい方法は複数のマイクロ波周波数を同時に使用できます。各周波数は、プラズマ内の異なる電子密度から反射され、システムは複数の領域からデータを同時に収集することができます。プラズマの条件に応じて、このシステムは放電プロセス中に最大34の位置を監視できます。
三菱電機と京都大学が核融合技術を推進
このシステムは、34の独立した周波数コンポーネントを持つ周波数コームを統合し、ダブルコームダウンコンバージョン技術を使用して、高周波マイクロ波信号をより処理しやすい低周波信号に変換し、受信器の計算負担を軽減します。これにより、プラズマ放電プロセス全体で安定した測定が可能になります。研究者たちは、マイクロ波発射器、受信器、光学素子をHeliotron J実験核融合設備に統合し、テストによりこのシステムが最大34の点で周波数シフトを継続的に測定できることを確認し、長時間の運転中におけるプラズマ条件の変化を捉えました。
三つの組織は2025年から、将来の核融合システムに対応するためにマイクロ波に基づくプラズマ測定技術を推進するために協力しています。このプロジェクトの下で、三菱電機はマイクロ波送受信システムと測定プラットフォームを開発し、京都大学は高密度プラズマを生成しプラズマの挙動を分析し、NIFSはダブルコームダウンコンバージョン法を開発しプラズマ分析を支援しています。日本は核融合エネルギーをその融合エネルギー革新戦略の下での戦略技術と見なしており、業界、学界、政府間の協力を促進し、2030年代に核融合発電を実現することを目指しています。
信頼性の高いプラズマ診断は重要なニーズと見なされており、温度と中性子放射線レベルが上昇するにつれて、核融合炉内での直接測定がますます困難になっています。今後、協力パートナーは周波数コームマイクロ波を利用したプラズマ制御技術のさらなる開発を計画しており、より詳細なプラズマ測定システムの構築を目指しています。また、技術の環境耐性を向上させ、将来の商業核融合炉内で予想される厳しい条件に耐えられるようにすることも目指しています。