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摘 要：研究小组在大型螺旋装置（LHD）中，进行了将冻结在-260°C以下的氢冰粒注入高温等离子体的实验。实验发现，与单纯注入氢冰相比，通过在氢冰中添加约5%的氖，可以有效地深层冷却等离子体。
关键词：氢冰粒、等离子体、深层冷却、大型螺旋装置（LHD）、氖
用冰粒冷却1亿度的巨大等离子体
～世界最大核聚变实验堆所需等离子体冷却技术的研究进展～
要点
· 在大型螺旋装置(LHD)的实验中，证明了通过将掺杂氖的氢冰粒注入受磁场约束的高温等离子体，可以有效地将其深层冷却。
· 为应对核聚变实验堆（ITER）中高温等离子体的不稳定性，需要有一种强制冷却高温等离子体的技术。本成果证实，该技术能够影响对于ITER运行不可或缺的冷却系统的性能。
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概要
在法国正在建造的世界最大核聚变实验堆（ITER）中，受磁场约束的高温等离子体会变得不稳定并释放出来，这可能会阻碍实验的进行，需要针对这一被称为“裂变”的现象采取一些对策。为了找到对策，以ITER机构为中心，世界各国都在研究，通过捕捉不稳定迹象来强制冷却等离子体的技术（裂变缓和）。
日本的一个研究小组在大型螺旋装置（LHD）中，进行了将冻结在-260°C以下的氢冰粒注入高温等离子体的实验。实验发现，与单纯注入氢冰相比，通过在氢冰中添加约5%的氖，可以有效地深层冷却等离子体。本成果证实了该技术能够影响对于完成ITER实验不可或缺的强制冷却系统的性能，还有助于确立未来核聚变反应堆的等离子体控制方法。
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开发的背景和目的
在包括日本在内的国际合作下，世界最大核聚变实验堆ITER正在法国建造。在ITER中，进行将作为核聚变燃料的氢保持在1亿度以上的高温等离子体状态，以产生50万千瓦核聚变能量的实验。阻碍该实验成功的主要课题是一种被称为“裂变”的现象，在这种现象中，真空容器内产生的用于约束等离子体的磁笼崩裂。裂变可能导致高温等离子体流入真空容器的内壁并造成损伤，从而阻碍实验的进行。尽管ITER的运行条件经过精心设计来避免裂变发生，但在试错过程中，一定数量的实验中可能会发生裂变，因此需要采取特殊措施。
在捕捉到引起裂变的不稳定性迹象时强行冷却等离子体，从而抑制对装置的损伤的“裂变缓和”技术作为解决方法之一备受期待。具体的方法是：将氢冻结在-260℃以下制成冰粒并注入高温等离子体来冷却。以ITER机构为中心，世界各国都在研究这一方法。注入的氢冰在被高温等离子体加热时从表面融化并蒸发，在冰的周围形成一团低温、高密度的等离子体（以下简称“等离子团”）。将这种低温高密度等离子团与高温等离子体混合可以降低温度。然而，最近的实验表明，当注入氢冰时，由于等离子团在与等离子体混合之前便被排出，因此无法深层冷却高温等离子体。产生这一问题的原因在于等离子团的压力。约束在环形磁笼中的等离子体就像自行车轮胎的内胎一样，具有与压力成正比向环外膨胀的性质。由氢冰融化形成的等离子团虽然温度低，但密度非常高，因而压力比高温等离子体大。因此，等离子团在与高温等离子体混合之前会向外扩散，并从高温等离子体中排出。
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研究内容和成果
作为解决这一问题的方法之一，研究人员通过理论计算预测，通过将氢与少量氖混合，可以降低冰融化产生的等离子团的压力。与氢相似，氖在-250℃左右变成冰，并在等离子团中发出强光。因此，如果事先将氖与氢冰混合，高温等离子体可以将加热冰的一部分能量作为光能释放到外部。由此，有望抑制等离子团的压力升高及其排出，并可以深层冷却高温等离子体。
此次，研究小组使用大型螺旋装置（LHD）进行了实验以验证这一假设。多年来，LHD一直在运行一种可喷射直径约3毫米冰粒的“固体氢粒喷射”装置，该装置可以1/1000秒的精度将氢冰注入等离子体，对于观察等离子团的变化十分必要。本研究对该装置进行了改造，使其可以注入掺有氖的氢冰，同时利用核聚变科学研究所最近开发的，可以每秒2万次（20千赫）的频率测量等离子体温度和密度的世界最高性能的系统，捕捉到了等离子团的变化。结果证实，正如理论计算所预测的那样，与注入纯氢冰时相比，当注入混合了约5%氖的氢冰时，可以抑制等离子团的排出，并深层冷却高温等离子体。
（图）等离子团变化（纯氢和混合5%氖的氢）。本次实验使用可以每秒2万次的频率测量温度和密度的系统，通过测量等离子团经过观测区域时的瞬间密度确定其位置，来验证假设。
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研究的意义
本次的研究成果首次证实，将添加了少量氖的氢冰注入到高温等离子体中，可以有效地深层冷却高温等离子体。这种添加氖所带来的变化不仅是通过实验获得的有趣新现象，也是影响对于ITER运行不可或缺的强制冷却系统性能的重要因素。ITER强制冷却系统设计计划于2023年完成，本成果有望提高系统性能，同时有助于确立未来核聚变堆高温等离子体的控制方法。
翻译：李释云
审校：刘 翔
李 涵
通稿：李 涵
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