LHD (プラズマ装置)

LHD（大型ヘリカル装置）とは

LHD（Large Helical Device）は、日本の自然科学研究機構の核融合科学研究所（NIFS）にて開発された、核融合研究専用の大型ヘリカル装置です。この装置は、独自のヘリオトロン配置を採用しており、プラズマを長期間にわたり持続的に維持することが可能です。特に、54分間にわたってプラズマを安定させることに成功し、そのプラズマ密度は核融合に必要な条件の10倍を超える1立方センチメートルあたり10^15個と高密度を実現しています。また、プラズマの温度は2017年3月に始まった重水素を用いた実験において、核融合反応に必要な温度である1億2,000万度に達しました。

沿革

LHDの開発は1987年に始まり、岐阜県土岐市に約47万平方メートルの土地を取得したことから始まります。その後、1989年に核融合科学研究所が設立され、1990年からは土岐実験施設や管理研究所棟の建設が始まりました。1997年にはLHD装置本体が完成し、1998年にはファーストプラズマが点火されました。以降、2010年には実験回数が10万ショットに達し、2017年には重水素実験が開始されました。2020年にはプラズマの温度が1億度に達し、2022年にはその重水素実験が終了しました。そして、2023年からは学術研究基盤として運用が開始されました。

技術的特徴

LHD装置の主な構成要素には、プラズマ真空容器、超伝導磁場コイル（ヘリカルコイルおよびポロイダルコイル）、断熱真空容器、そしてそれを支える構造物が含まれています。装置の高さは9.1メートル、直径は13.5メートル、重量は約1,500トンに達します。

LHDの特徴的な技術の一つは、プラズマを閉じ込めるために使用される超伝導コイルです。これにより、LHDは世界で初めて核融合実験に超伝導を用いたヘリカル装置となっています。これに関連する他の研究として、ドイツのマックス・プランク研究所で進行中のヴェンデルシュタイン7X計画や、中国の等離子体物理研究所でのEAST計画があります。

周辺装置

プラズマの加熱を促進するために、さまざまな周辺装置が設置されています。中性粒子ビーム照射装置（NBI）、イオンサイクロトロン共鳴加熱装置（ICRF）、電子サイクロトロン共鳴加熱装置（ECH）などがこれに含まれ、プラズマの温度をさらに高める役割を果たします。また、局所的に磁場を調整するローカルアイランドダイバーターや、真空装置内の不純物を除去するための排気装置、さらには各種実験観測装置も設置されています。

核融合研究の意義

核融合技術の開発にはいくつかのフェーズがあります。本装置はその中でも研究炉として位置づけられており、将来的には実験炉や商業炉に進化することが期待されています。技術的には、商業炉としての実現にはさまざまな資金的、技術的な課題が残っていますが、ヘリカル型装置はその候補に挙げられています。日本国内では、LHDと並行してCHSと呼ばれる中型のヘリカル型装置も運用されており、プラズマ物理学に関する基礎的な実験が行われています。

重水素実験

重水素を用いた実験は、厳しい安全管理のもとで行われます。周辺地域の住民との合意形成も必要であり、定期的な説明会を通じて情報提供が行われています。重水素による核融合反応から発生する微量の中性子に対しては、十分な遮蔽が施されているため、外部への影響は最小限に抑えられています。重水素実験の終了は2022年12月であり、今後も装置の効果的な利用が目指されています。

これらの取り組みにより、LHDは核融合実現に向けての重要な研究拠点として、今もなお先進的な試みが行われています。

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