HSX(Helically Symmetric eXperiment)は、ウィスコンシン大学マディソン校にある実験用プラズマ閉じ込め装置で、その設計原理は核融合炉への組み込みを目的としている。 HSXはモジュール式コイル型ステラレータであり、プラズマを閉じ込めるために磁場を生成する外部電磁石を備えた、トーラス状の圧力容器である。 1999年に操業を開始した。 背景
ステラレータとは、外部磁気コイルを用いて、高温プラズマを閉じ込めるために必要な磁場をすべて生成する磁気閉じ込め核融合装置である。 対照的に、トカマク型や逆磁場ピンチ型では、磁場は外部の磁石とプラズマ中を流れる電流との相互作用によって生み出される。 この外部駆動による大規模なプラズマ電流がないため、ステラレータは定常状態の核融合発電所に適している。
しかし、磁場が回転対称を持たないため、従来のステラレータでは、磁力線にトロイダル変調とヘリカル変調が組み合わさって生じ、これが核融合関連の条件下で閉じ込め領域からプラズマが大量に流出するという問題を引き起こす。この問題はヴェンデルシュタイン7-Xで解決され、同装置はITERで期待されるものよりも優れた粒子閉じ込め性能を示し、30分間のプラズマ維持を達成した。 従来のステラレータにおけるこの大規模な流出は、核融合炉としての性能を制限する要因となり得る。
この問題は、磁場の形状を最適化することで、大幅に軽減できる。 過去20年間におけるコンピュータ・モデリング能力の飛躍的な向上により、この流出を低減するための磁気幾何学の「最適化」を可能にし、その結果、「準対称ステラレーター」と呼ばれる新しい種類のステラレータが誕生した。 コンピュータシミュレーションによって設計された、一見風変わりな電磁石が、必要な磁場を直接生成する。 これらの装置は、トカマクの優れた閉じ込め特性と、従来のステラレータ定常運転特性を兼ね備えている。 ウィスコンシン大学マディソン校の「ヘリカル対称実験（HSX）」は、そのような準ヘリカル対称型ステラレータである(ヘリカル対称軸)。 装置 HSXの磁場は、4つの磁場周期に配置された48個の撚り線コイル群によって生成される。 HSXは通常、プラズマ柱の中心で1テスラの磁場で動作する。 比較のために、対称性を意図的に破り、従来のステラレータ特性を再現するよう、一連の補助コイルが使用される。
HSX真空容器はステンレス鋼製で、磁場の形状に沿うように、らせん状に成形されている。
プラズマ生成と加熱は、28GHz、100kW電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)を用いて行われる。 熱パルス変調の研究を行うため、最近、HSXに2台目の100kW ジャイロトロンが設置された。 運用 様々な実験のため、温度が3KeV、密度が約8/ccに達するプラズマが日常的に生成されている。
実験により、エッジ磁気島が粒子の燃料供給と排出に影響することを示した。 HSXでは、プラズマ端に磁気島列が存在すると、プラズマ供給対排気比は高まるが、燃料供給効率は25％低下する。 島を半径方向内側へ移動させると、実効的な粒子閉じ込め時間と全体的な粒子閉じ込め時間の両方が減少する。 このプロセスは、プラズマへの燃料供給時間と、ヘリウムの排出時間を制御するのに効果的である。
サブシステム、診断 HSXには、プラズマと磁場の特性を測定するための豊富な診断装置が備わっている以下に、主な診断装置およびサブシステムの一覧を示す。
トムソン散乱 診断用中性粒子ビーム 電子サイクロトロン共鳴加熱システム 電子サイクロトロン放射計 電荷交換再結合分光法 干渉法 運動シュタルク効果 重イオンビームプローブ(近日導入予定) レーザーアブレーション入射法 硬X線・軟X線検出器 ミルノフ・コイル ロゴウスキー・コイル 受動分光計測
目標と主な実績
HSXは、従来のステラレータ概念を大幅な性能向上が期待される準対称ステラレータの物理学に対して、これまで基礎的かつ重要な貢献を果たしており、現在も貢献し続けている。 これらには以下が含まれる：
準対称方向における大きなイオン流の測定 準対称方向における流れ減衰の低減 磁束面からの通過粒子偏差の低減 直接損失軌道の低減 新古典輸送の低減 高い実効回転変換による平衡並行電流の低減
進行中の実験
HSXでは、学生、スタッフ、教員によって、数多くの実験研究および計算研究が行われている。 それらの一部は、米国内外の他の大学や国立研究所との共同研究として行われている。 現在の主な研究プロジェクトは以下の通り：
準対称性がプラズマ流に与える影響 不純物輸送 高周波加熱(RF加熱) 超音速プラズマ燃料供給と中性粒子集団 熱輸送研究のための熱パルス伝播実験 HSXにおける乱流とプラズマ流の相互作用、および準対称性が動径電場の決定に与える影響 プラズマ密度・圧力・電流の分布から、プラズマ平衡を再構成する研究 粘性と対称性がプラズマ流および動径電場の決定に与える影響 ダイバータ流および周辺粒子フラックス 動径電場がブートストラップ電流に与える影響 準対称性が高速イオン閉じ込めに与える影響
脚注
補足資料
外部リンク
Experimental Tests of Quasisymmetry in HSX - Talmadge042408.pdf スライド4でトカマクと比較