HL-2M

HL-2Mは、中国の核工業西南物理研究院(SWIP)が成都に建設した大型トカマク装置であり、2020年末に初プラズマを達成した。HL-2Aの後継機として、高性能プラズマ物理、プラズマ境界・ダイバータ物理、プラズマ・壁相互作用の研究に専念するもので、ITERと次段の原型炉CFETRを結ぶ中国核融合開発路線の中核を担う。図は装置の全体構造を示したもので、トロイダル場コイル、極場コイル、真空容器、第一壁からなるトカマク本体の断面が見て取れる。

装置の概要と使命

HL-2Mの最大の特徴は、脱着可能なトロイダル場コイルの内側、すなわち主プラズマに近い位置に極場コイルを置いた設計にある。この配置により、プラズマ形状とダイバータ配位を高精度に制御でき、標準X点ダイバータのほか、スノーフレークやトリポッドといった先進的ダイバータ配位を同一のターゲット幾何で実現できる。プラズマ電流は初期段階で0.5 MA、通常運転では2.0 MA級のメガアンペアクラスを狙う。中性子ビーム入射(NBI)や電子サイクロトロン加熱に加え、次段の昇級計画では6 MWの高周波加熱が加わる予定で、10 keVを超えるイオン温度の達成と燃焼プラズマに関連する高エネルギー粒子物理の研究が主要目標とされる。

工学設計と主要構成要素

装置は真空容器、トロイダル場コイル、極場コイル、容器内コイル、クライオポンプ、第一壁から構成される。真空容器はベーキング時の熱機械特性が評価され、容器内コイルは水冷路の放熱設計が検討されている。垂直変位イベント(VDE)時やハロー電流発生時に容器内コイルやRMPコイルに電磁応力が生じるため、有限要素・境界要素法による構造解析が行われている。容器内クライオポンプも電磁負荷に対する構造評価の対象である。中央制御系はリアルタイムLinuxクラスタに基づくプラズマ制御系と時刻同期系を含み、初プラズマ実験キャンペーンに先立って整備された。

加熱・電流駆動システム

NBIビームライン(5 MW級、クライオポンプ付き)が整備され、電子サイクロトロン電流駆動とNBIの併用も研究されている。高周波加熱は燃料イオンを直接加熱できる唯一の補助加熱手段であり、少数種加熱、第二高調波加熱、三イオン方式、NBIイオンとの相乗加熱など多様な方式がHL-2Mのパラメータに対して検討されている。特に三イオン方式やNBI相乗加熱は高エネルギーイオンを効率よく生成する手段として、燃焼プラズマ物理研究の鍵となる。

ダイバータ物理と先進配位

ダイバータの熱負荷と不純物制御は定常トカマクの成否を左右する重要課題である。SOLPS5.0による数値シミュレーションにより、標準X点配位、スノーフレーク・マイナス配位、二種類のトリポッド配位について熱負荷分布と不純物分布が評価され、スノーフレーク・マイナス配位とトリポッド配位が熱負荷・不純物の面で良好な性能を示すことが確認された。二つのX点間距離の最適化も性能向上の余地として指摘されている。また、ELM制御のために共振磁気擾乱(RMP)コイルが備えられる。窓枠型コイルのトロイダル配置に由来して、ELM制御用の主高調波(例えばn=2)のほかにトロイダル側帯波(例えばn=6)が必ず共存し、これがダイバータ板上の磁気フットプリントや高エネルギーイオン損失に影響しうることが、プラズマ応答を含むトロイダル解析で示されている。

運転シナリオとプラズマ制御

運転シナリオは、基準となるELMy Hモード、ハイブリッド、定常(全非誘導)の三類型に分けて統合シミュレーションで解析されている。ハイブリッドシナリオは低い磁気シアと中心安全因子q0≈1がMHD安定性に有利で、非誘導電流割合約80%、ブートストラップ電流割合40–45%が目標とされる。定常シナリオでは弱い逆シアと内部輸送障壁、または定常ハイブリッド型の安全因子分布が候補である。先行機HL-2Aでは正規化ベータ3を超えるHモードや、共鳴磁気擾乱・不純物注入によるELM制御、深層学習に基づくディスラプション予測(精度96.8%)が実現されており、これらの物理・技術基盤がHL-2Mに引き継がれる。抵抗壁モードの能動制御も電力飽和とセンサ雑音を考慮したモデル化により検討されており、高ベータ運転の安定化が課題となっている。