小型核融合装置の電子が1億度に

自ら「燃え続ける」将来の核融合炉では、核融合で生じるアルファ粒子が、衝突を通じてエネルギーの大半をプラズマの電子に渡す。電子がどれほど熱くなり、その熱がどれほど速く漏れ出すかが、炉の性能を大きく左右することになる。

電子を直接加熱する方法の一つが、マイクロ波を使う電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)だ。将来の小型核融合装置では、ますます重要になると見込まれている。ところが、磁場の中にプラズマを閉じ込める非常に小型の装置である球状トーラスの実験は、これまで主に高速の中性粒子ビームで加熱され、熱いイオンを対象に研究されてきた。熱い電子がほぼマイクロ波だけで加熱されるプラズマは、著者らによれば、ほとんど未開拓のままだという。

ショット18325

北京の企業ENNフュージョンが運用する球状トーラスEXL-50Uのグアン・ヤン、ユエジャン・シーらのチームが、そうした放電の一つを報告している。ショット18325では、プラズマに約500キロアンペアの電流が流れ、加熱は50ギガヘルツのマイクロ波だけで行われた。マイクロ波は2つのシステムから順番に入射された。最初の入射装置は約230キロワットで0.5秒まで、その後は2つ目の約200キロワットの装置だ。

• 最初の入射装置が動いている間、中心部の電子は2keV付近にとどまっていた。
• 切り替えの後、電子温度は急速に上昇した。0.60秒の時点で、レーザー診断(トムソン散乱)が中心部で約10keVを測定した。誤差範囲が大きいため、チームは控えめな下限として8.6keV、つまり1億ケルビンを採用している。
• 高温の段階は約150ミリ秒続いた。中心部の密度は1立方メートルあたり約0.4 × 10¹⁹個と非常に低かった。その後、電流が下がり密度が上がるにつれて崩壊した。

EXL-50Uのショット18325:中心部の電子温度(パネルa6)は、2つ目のマイクロ波システムへの切り替え後、0.6秒付近でピークに達する。パネルBは鋭いピークをもつ温度分布を示す。— Yang et al. (2026)、図1、arXiv:2610.14684。

切り替え時に入射パワーはほとんど変わらなかったので、著者らはこの急上昇を、2つ目の入射装置がエネルギーをどこに落とすかの変化によるものだと考えている。彼らの光線追跡(レイトレーシング)モデルによれば、それは軸から外れた位置だ。正確な仕組みや、2つの波の偏波の違いが決定的な原因なのかどうかは、まだわかっていない。

熱い電子、冷たいイオン

温度分布は強いピークをもつ。端までの中ほどで約1keVまで下がる一方、密度はほぼ平坦なままだ。熱は軸の近くに集中している。

高温の時間帯には、イオンは測定されていない。同じ日、X線分光器は中心部のイオンが0.5keV付近に集まっていることを示し、近い番号のショットでは、密度が下がるほど電子とイオンの温度比が大きくなった。つまり、低密度では、このプラズマの電子とイオンは強く切り離されている。1億度は電子だけのものなのだ。

チームは、熱がどのように逃げていくかもモデル化した。電子の熱は、最も単純な衝突理論の予測より100倍から1万倍速く漏れ出す。物理学者が異常輸送と呼ぶ現象だ。ただし、軸のごく近くではその度合いが小さい。シミュレーションは、2種類の小さなスケールの不安定性を示唆している。一つは中心部、もう一つは半径の中ほどで起きる。著者らは、これらが熱損失の定量的な予測ではないことを強調している。

心に留めておくべきこと

中心温度には、著者らが明記している注意点がある。これほど低い密度では測定の雑音が大きい。測定は電子が通常の熱的な分布に従うと仮定しており、マイクロ波によって生じうる「非熱的」な高速電子は分離されていない。プラズマの不純物レベルは測定ではなく仮定によるものだ。

利益相反にも触れておく必要がある。著者らはEXL-50Uを運用する民間企業ENNフュージョンに所属しており、研究資金はENNグループの企業から出ている。著者らは利益相反はないと申告し、資金提供者は研究に関与していないと述べている。それでも、これは企業が自社装置の性能の節目を報告したものであり、査読を経ていない短いプレプリントだ。