HL-3

HL-3は、中国が建設した中型トカマク実験装置である。もともとHL-2Mと呼ばれていた装置が2020年の運転開始前後にHL-3と改称された。主要半径1.78 m、マイナー半径0.65 m、プラズマ電流2.5〜3 MA、トロイダル磁場2.2〜3 Tという設計参数を持ち、断面積は細長比1.8程度、三角形度0.5程度のD型断面である。研究目的は、ITERおよび次世代核融合炉に向けた先進的ダイバータ概念と高熱流束部材の開発、高性能運転シナリオの確立であり、将来的には重水素・三重水素(D-T)実験も計画されている。

図は装置内部の写真で、第一壁を覆う黒鉛タイルが規則的に並ぶ様子と、試料採取のために区分けされた3つの領域(高磁場側中間面、中間面下方、ダイバータ近傍の低磁場側)が示されている。この黒鉛タイルが直接プラズマに接する第一壁材であり、燃料の保持(co-deposition)評価の対象となる。

装置の概要とミッション

HL-3は2020年に運転を開始し、2022〜2023年の第2実験キャンペーンでダイバータ配置による1 MA超のプラズマ電流運転を達成した。この際、第一壁・下部ダイバータの更新、極低温・水冷・ベーキング・グロー放電洗浄系の整備が行われ、真空容器は135 °C・10日以上のベーキングで水を脱気した後、ヘリウムグロー放電洗浄で不純物を除去した。

補助加熱・電流駆動系は現在11 MWまで拡充されており、中性粒子ビーム入射(NBI)5 MW、電子サイクロトロン加熱(ECRH)4 MW、低域混成波電流駆動(LHCD)2 MWから構成される。計画では合計20 MWへの増強と、細長比約1.8のダブルヌル配置への移行が進められている。

診断システム

HL-3にはプラズマの主要パラメータを測定する包括的な診断装置群が整備されている。電子密度の実時間フィードバック制御には位相処理器付きヘテロダイン干渉計が、密度分布測定にはFMCW反射計が用いられる。電子温度分布は60チャネルのECE放射計(容器内準光学系とITER型長距離コルゲート導波管を使用)と、コア領域用(50 Hz/3 J)およびエッジ領域用(30 Hz/2 J)の2系統のトムソン散乱装置で測定される。これに加え、FIRレーザー偏光・干渉計、多色ガスパフ撮像、可視・赤外統合撮像系などが整備され、境界プラズマの密度・温度の二次元分布やプラズマ境界の再構成が行われている。中性粒子分析器(E∥B型)による高エネルギー粒子測定も導入されている。

図はHL-3の典型的なプラズマ断面における磁気平衡と診断装置の配置を示す。FIR、ドップラー反射計、ECE、CXRS、FM-CW反射計、軟X線、トムソン散乱、ダイバータプローブなどが、それぞれ測定対象領域に応じて配置されている様子が分かる。

ダイバータ物理と先進的ダイバータ構成

HL-3の研究の柱の一つが、プラズマ対向面への熱負荷低減である。ダイバータを脱離(detachment)状態で運転することは、ターゲット表面の電子温度と熱流束を下げる有効な手段であり、タングステン材では定常10 MW/m²程度が耐熱の目安とされる。HL-3の下部ダイバータは、スノーフレーク配置を含む多様な磁場構成に対応できるよう比較的開放的な構造を持ち、スノーフレーク・マイナス、スノーフレーク・プラス、さらにトリポッド型の先進的ダイバータ配置が実現されている。

図はHL-3で実現された3種類の先進的ダイバータ配置を示す。(a)スノーフレーク・マイナス、(b)スノーフレーク・プラス、(c)トリポッドであり、いずれもX点近傍の磁場構造が通常の単一X点配置と異なり、磁束膨張が大きいことが分かる。

実験では、赤外線サーモグラフィ測定により、スノーフレーク配置やX-ダイバータ配置が標準配置に比べてターゲット熱流束を顕著に低減することが確認された。その機構は、弱いポロイダル磁場と長い接続長による磁力線とターゲット面の入射角の減少、ダイバータ内の電力散逸体積の増大、再循環中性粒子や不純物に対する遮蔽能力の向上である。一方で、開放型のX-ダイバータでは粒子フラックスの分散によって再循環中性粒子の密度・圧力が低下し、粒子排出能力が弱まること、またE×Bドリフトが有利磁場方向の脱離を妨げる要因になることが実験とSOLPS-ITERシミュレーションの両方から示された。これらの課題に対し、V字スロット閉鎖構造とX-ダイバータの磁束膨張を組み合わせた閉鎖型V字スロットX-ダイバータ(CVXD)や、W型・V型・SAS・コンパクト放射型の利点を統合したX点スロット閉鎖(XSC)型上部ダイバータの設計がSOLPS-ITER解析に基づいて進められている。後者は細長比約1.8のダブルヌル運転を可能にする上部ダイバータとして、工学設計段階に入っている。

高閉鎖性運転とELM制御

Hモードはエッジ輸送障壁による高閉鎖性を実現するが、エッジ局在モード(ELM)に伴う瞬間的熱負荷がプラズマ対向面を損傷しうるため、その制御・回避が重要課題である。HL-3では、NBI・ECRH・LHCDを組み合わせてメガアンペア・プラズマでの標準的なセイトゥースを伴う高閉鎖性モードが初めて達成された。さらに、ELMのない高閉鎖性領域として、EDA HモードとQHモードの観測が報告されている。

EDA Hモードは、準コヒーレントモード(QCM)と呼ばれるエッジ変動がペデスタル領域の輸送を高め、圧力勾配を調整することでELMを生じさせずに高閉鎖性を維持する運転領域である。HL-3でもELMフリーのHモードでEDA Hモードに整合する特性が初めて観測され、その運転領域とQCMの性質が解析されている。QHモードでは、エッジ高調波振動(EHO)がペデスタル勾配領域に生じ、飽和したキンク/ピーリングモードとして振る舞うことでELMを回避する。HL-3でもEHOを伴う遷移的なQHモードが初めて観測され、EHOの駆動がE×B流れに関連する半径方向電場のシアおよび曲率と強く相関することが示されている。これらの観測は、低衝突性の燃焼プラズマで有利なELMフリー運転の実現可能性を探る上で重要である。

ELM制御の能動的手法としても、共鳴磁場摂動(RMP)の容器内コイル系、ペレット入射、超音速分子ビーム入射(SMBI)、低域混成波入射によるELM影響の緩和などが研究されている。ペレット入射系は直径1.0 mm・長さ1.0〜1.3 mmの円柱ペレットを60 Hz・100〜300 m/sで注入でき、SMBI系は高磁場側からとダイバータ熱流束制御用のものを含む3系統が整備されている。また、ペデスタル近傍のピーリング・バローニング不安定性的に振る舞うスーパーHモードの非線形シミュレーションや、静穏Hモードの予測的非線形MHD解析も進められている。

実験の進展と展望

HL-3では、1 MA超のHモード運転に伴う機器安全課題の管理、垂直不安定能動制御用電源の整備、深層学習に基づくディスラプション予測の新装置データ環境への適用、セイトゥースの実時間識別など、運転の安定性と信頼性を高める取り組みが進んでいる。プラズマ・壁相互作用の分野では、第2キャンペーン後に回収した黒鉛タイルに対し、レーザー誘起アブレーション質量分析とレーザー誘起ブレークダウン分光を組み合わせた手法で重水素保持量の定量評価が行われ、炭素材料における主要な保持機構である共堆積層の分布が調べられている。これは将来のD-T運転におけるトリチウム在庫管理の基礎データとなる。

今後は加熱系の20 MWへの増強、高細長比ダブルヌル配置への移行、閉鎖型先進ダイバータの実装を経て、D-T実験が計画されている。HL-3は、ITER支援および次世代炉の課題解決を目的とした、ダイバータ物理・高閉鎖性運転・プラズマ制御の統合的研究拠点として位置づけられている。