電源

核融合研究における電源とは、トカマクなどの磁気閉込め装置の磁場コイル、およびプラズマ加熱装置に電力を供給し、その電流・電圧を高精度で制御する大電力電気システムの総称である。核融合装置は数十メガワットから数百メガワット規模の電力をパルス的に消費するため、電源は単なる付属設備ではなく、プラズマの閉込め性能と装置の安全を直接左右する中核的なサブシステムとして設計される。

核融合装置における電源の役割

磁気閉込め核融合装置では、プラズマを閉じ込める磁場をすべて電磁石で作る。トロイダル場コイル、ポロイダル場コイル、中心ソレノイド、さらにプラズマの位置や形状を制御するための補助コイルなど、それぞれが異なる電流波形と精度を要求する。例えばトロイダル場コイルは長時間一定の大電流を流し続ける必要があり、ポロイダル場コイルは放電の立ち上げから終息までの数秒から数十秒の間に大きく変化する電流を追従させなければならない。垂直位置制御用のコイルはさらに速い応答が求められ、プラズマの垂直方向の不安定成長を数ミリ秒の時間スケールで抑え込む。このため電源系は、装置の運転計画とプラズマ制御の要求を直接反映して設計され、大型装置では電源と配電系そのものが独立した設計課題となる。

電源の負荷側は純粋な抵抗ではなく、超伝導コイルや銅コイルという大きなインダクタンスである。大電流をインダクタンスに流すには高電圧を長時間印加する必要があり、逆に電流を変化させるときにはコイルに蓄えられた磁気エネルギーをどこかで吸収しなければならない。この「エネルギーの出入り」をどう扱うかが、核融合装置電源設計の本質的な難しさである。

磁場コイル用電源とクエンチ保護

超伝導トカマクでは、コイル系に蓄えられる磁気エネルギーがギガジュール規模に達する。このエネルギーは通常、サイリスタ（半導体スイッチ素子）を用いた整流器によって交流系から供給され、変流比の異なる複数の変圧器と整流ブリッジを組み合わせて広い電流範囲での制御を実現する。超伝導コイルは極低温で運転されるため、何らかの異常で超伝導状態が破れて常伝導に転じるクエンチが起きると、コイル内部でジュール発熱が生じ、最悪の場合コイルの損傷につながる。そこでコイル両端に直流遮断器と放電抵抗を設け、クエンチ検出から数十ミリ秒以内にコイル電流を抵抗側へ迂回させ、蓄積エネルギーをコイルの外で熱に変換して放出する保護回路が必須となる。このクエンチ保護用の直流遮断器は、商用の交流遮断器を直流で開放できるよう工夫した専用の構成であり、電源設計の中でも信頼性要求が最も厳しい部分の一つである。

ポロイダル場コイル系では、一つのコイル電流を複数の電源ユニットで共有し、切替回路によって電流の向きや帰路を放電の位相に応じて変える構成が広く用いられる。これにより装置全体の電源容量を抑えつつ、立ち上げ・加熱・維持・終息の各段階で必要とされる電流パターンを実現する。また、電源系から漏れ出る交番磁場や高調波が測定系や隣接機器に混入するのを防ぐ電磁両立性の設計も、設計の初期段階から考慮される。

プラズマ加熱システム用高電圧電源

磁場コイルが直流・大電流を扱うのに対し、プラズマ加熱装置の電源は高電圧・高速スイッチングを特徴とする。（）では、マイクロ波を発生するを作るために数十キロボルトから百キロボルト超の高電圧を安定供給する必要があり、陽極電源やカソード（フィラメント）電源など、複数の電源が組み合わされて一つのジャイロトロンを駆動する。（NBI）ではさらに厳しく、加速電源として直流で百キロボルトから一メガボルト級の超高電圧が要求される。直流超高電圧の伝送では、絶縁体表面の電界や導体表面の電界を数キロボルト毎ミリメートル以下に抑えて絶縁破壊を防ぐ設計が不可欠であり、実際にメガボルト級の直流高電圧を数百秒にわたり維持する技術が開発されてきた。