量子科学技術研究開発機構（量研）と核融合科学研究所の研究グループは核融合炉内でつくり出す約1億℃の高温プラズマを冷却する新技術を実証した。微量のネオンを添加した水素の氷粒で冷やす。不安定になった高温プラズマは核融合炉の装置を損傷させる恐れがあり、効果的に強制冷却する技術が求められていた。
フランスで建設中の世界最大の核融合実験炉「ITER」では、1億℃以上のプラズマを維持し続けて、50万kWの核融合エネルギー（熱出力）を生み出す実験を計画している。課題の一つがプラズマを閉じ込める磁力線のカゴが崩れる「ディスラプション」と呼ぶ現象への対策だ。ディスラプションが起きると、高温のプラズマが真空容器の内壁に流入してダメージを与える可能性があるため、その兆候を捉えた段階でプラズマを強制的に冷却しなければならない。
プラズマを強制冷却する方法としては、これまでに水素を－260℃以下で凍結させてつくった氷の粒を高温プラズマに投入する手法が世界各国で研究されてきた。氷の周囲に生じる低温高密度のプラズマの塊「プラズモイド」が、高温のプラズマと混じり合って全体の温度が下がる。しかし最近の実験で、プラズモイドとプラズマの圧力差が原因で、プラズモイドがプラズマと混じり合う前に排出されてしまい、十分に冷却できないという問題が明らかになっていた。
そこで、研究チームは水素の氷に約5％のネオンを混ぜる方法を考案した。ネオンは高温プラズマが氷を加熱するエネルギーの一部を光のエネルギーとして外に放出できるため、プラズモイドの圧力上昇を抑えられる。その結果、プラズモイドが高温プラズマから排出されにくくなり、高温プラズマを深部まで冷却できると予想した。
研究チームは核融合科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD）を使って仮説を検証した。LHDでは既に直径3mm程度の氷の粒を投入する装置を運用していた。今回ネオンを混合した氷を扱えるように装置を改造するとともに、1秒間に2万回の頻度（20kHz）でプラズマの温度と密度を計測できる世界最高性能のシステムでプラズモイドの振る舞いを捉えた。その結果、ネオンを混合した水素の氷を投入した場合、純粋な水素の氷を使う場合よりもプラズモイドの排出を抑えられ、高温プラズマを深部まで冷却できることを実証できた。
