物理学者がトカマクの「Dを反転」し、予想外に良い結果を得る

核融合物理学の世界では、「L」と「H」という2つの文字がすべてを物語っています。クールな若者たちは皆、高温で炎を噴き出すHモードに熱中しています。このモードは実用可能な核融合エネルギーを得るための最有力候補です。一方、高温でも炎も噴き出さないLモードは、ほとんど使われていません。しかし、Lモードの形状を変えることで、研究者たちは予想外に高い圧力を得ることに成功しました。核融合に十分な圧力？もしかしたら、かもしれません。

これらすべてが何を意味するのかを理解するために、まずトカマクとは何かを簡単に復習する必要があります。

核融合物理学については以前にも取り上げましたが、簡単に言うと、トカマク型原子炉は、一連のねじれた磁場を用いて、荷電粒子の流体（プラズマと呼ばれる）をドーナツ型に閉じ込めます。プラズマの温度と圧力が核融合の鍵となります。プラズマが十分に高温になると、正電荷を帯びた原子核が衝突して核融合し、莫大なエネルギーが放出されます。 

トカマクのようなプラズマや磁気ボトルの問題は、プラズマの運動によって、 それを閉じ込める磁場の一部を作り出す必要があることです。研究者たちは、この力学によって2種類のボトルが生まれることを発見しました。1つはプラズマをしっかりと閉じ込め、Hモードと呼ばれます。もう1つはLモードと呼ばれ、プラズマをそれほど強く閉じ込めません。 

神経質なHモード、マリファナを吸うLモード

Hモードは非常に不安定で、「エッジ局所モード」と呼ばれる現象が物理学者を悩ませています。このモードは、その名の通りプラズマのエッジから始まり、急速に成長する揺らぎによって生じます。揺らぎが十分に大きくなると、物理学者の言葉を借りれば、大量の粒子を原子炉壁に輸送する可能性があります。これは、原子炉がゆっくりと冷却されるスラグの塊と化してしまうことを意味する長い言い方です。

Lモードはプラズマをそれほど強く閉じ込めません。そのため、温度はそれほど高くならず、核融合が起こる可能性は低いです。さらに悪いことに、Lモードは漏れがひどく、粒子がプラズマから絶えず流れ出て壁に衝突します。プラス面としては、こうした現象は突然起こるわけではないということです。Lモードの不安定性は扱いやすいため、Lモードへの関心は完全には薄れていません。

Lモードがあまり良くなかった理由の一つは、その全体的な形状にあるのかもしれません。LモードもHモードもドーナツ型ではありません。確かにどちらもリングを形成しますが、リングの断面は互いに鏡像関係にある2つの「D」字型を示すことになります。「D」の平らな部分はリングの内側に位置しています。

サンディエゴにある旧式トカマクDIII-Dで行われた一連の実験において、研究者たちはD字型の向きを反転させました。この配置では、D字型の平らな面がリングの外側になります。容器の形状と電力処理はすべて標準的なD字型に基づいて設計されているため、研究者がプラズマに投入できる電力量が制限されていました。

圧力下のプラズマ

それでも、研究者たちは歯を食いしばって実験を続けた。結果は少々意外なものだった。プラズマを通常Hモードが現れる温度をはるかに超える温度まで加熱したにもかかわらず、Hモードは実現しなかった。代わりに、プラズマはLモードを維持したのだ。同時に、圧力は核融合炉に必要な値まで上昇した。プラズマに蓄えられたエネルギーも、通常のHモードから予想されるよりもはるかに高かった。どちらも非常に有望な兆候だった。