【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置のプラズマ制御装置に係わり、特に、プラズマ放電開始時に必要な電圧を低減し、初期プラズマの安定化に有効なプラズマ周囲の磁場制御を行うプラズマ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合装置では、希薄水素ガスをド−ナツ状の真空容器に入れ、真空容器と鎖交する磁束（変流器磁場による磁束）を変化させる事により、一周方向（トロイダル方向）の電圧をかけて放電を起こし、ガスをプラズマ状態にする。 この時必要な一周電圧Ｖｌは、
例えば、ＪＡＥＲＩ−Ｍ ８６−１７４（日本原子力研究所）Ｐ． ３０に書かれているように、２０から３０Ｖ
が必要であった。 このような電圧をかけるためには、例えば、「準定常核融合実験炉（ＦＥＲ−Ｑ），概念設計報告書（その１）」ＪＡＥＲＩ−Ｍ ８５−１７７（日本原子力研究所）Ｐ． １５５に書かれているように、図２に示すような磁場を用いていた。 つまり、プラズマ周囲に配置したポロイダルコイル３により、中心部（主半径小の部分）に磁力線を集中させて、プラズマ発生領域１１では磁力線が横切らない磁場配位｛変流器磁場｝を作り、この磁場成分の強度を変え、中心部の磁場強度を急に変化させることで一周電圧Ｖｌを発生させていた。
放電開始時には、あらかじめ設定した変流器磁場の変化割合に従って変化させ、この時、他のコイルは磁場を発生しないようにしていた。 従って、放電開始時には積極的に磁場（ポロイダル磁場）を負帰還制御して調整することは無かった。

【０００３】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の方法では、放電開始時の磁場を精密に行うことは難しく、結果として低い一周電圧で放電を開始することは出来なかった。 また、図２のポロイダルコイルには各々１
個の電源が組み合わされ、高い一周電圧はコイルの巻数倍となって電源に加わることになる。 この電圧に対抗してプラズマを安定に保つためには、さらに高い電圧を発生できる電源を用いて、プラズマ位置形状制御を行う必要があった。 これらの事は電源等のコスト上昇の原因になっていた。 図２のように、プラズマ領域全般において、ポロイダル磁場を作らない変流器磁場は、設計計算上は容易に作れるが、実際の装置ではトロイダル磁場が作るポロイダル磁場成分（トロイダルコイルの誤差磁場）やポロイダルコイルの設置誤差が原因の誤差磁場があり、結果としてプラズマ領域全般においてポロイダル磁場が作られ易いことになる。 このような誤差磁場が存在する環境では高い一周電圧が必要になる。 また、図２
のような変流器磁場において放電を開始させた時、小電流時にもプラズマ断面積が真空容器断面程度の大きさになり、ジュ−ル加熱によるプラズマへのエネルギ−注入密度が小さくなる。 この事は小電流時にプラズマ加熱量がプラズマからのふく射損失を下回ることも有り得る。
この対策には初期のエネルギ−注入量を大きくするかまたはプラズマ電流の増加速度を早める事が必要である。
しかし、このためにはやはり高一周電圧が必要となる。 また、放電開始時からプラズマの平衡を得るため垂直磁場が必要になるが、プラズマ電流の増加率が大きく一周電圧が高い装置では、必要な垂直磁場を作るために、やはり高電圧の電源が必要となった。 このように高い一周電圧や速いプラズマ電流の増加を必要とすることは高電圧の電源を必要とし、また、高一周電圧かつ構造材に誘起される渦電流に耐えるように高強度の構造設計を必要としていた。 また、速いプラズマ電流の立ち上げは放電初期のプラズマを不安定にし易くしていた。 これは、渦電流による磁場がプラズマには外乱として働く事、及び、電源や制御系の応答速度に限度がある事に原因があった。 本発明の目的は、上記事情に鑑み、核融合装置において、プラズマ放電開始を低一周電圧により行ない、かつ、放電開始時のプラズマを安定化するに適するプラズマ制御装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、ポロイダル磁場を調節してプラズマ位置形状を制御する核融合装置のプラズマ制御装置において、変流器磁場に加え、
独立に多重極磁場（特に、四重極磁場）を加えることができるプラズマ制御系を形成し、このプラズマ制御系は、多重極磁場（特に、四重極磁場）強度指令器とヌル点の位置を定めるヌル点位置指令器及びヌル点および多重極磁場（特に、四重極磁場）強度の演算検出器をもって構成し、プラズマ放電開始時のプラズマ発生前に、多重極磁場（特に、四重極磁場）を加え、ポロイダル磁場が存在しないヌル点を発生させ、保持するとともに、ヌル点の位置を計測し、負帰還して位置制御することにより、達成される。

【０００５】また、ここで、従来法の問題点である高い一周電圧と放電開始時にプラズマが不安定になり易い点を解決するために、放電開始時の磁場配位に注目して実験を行った。 この結果、図３のような実験結果を得た。
この実験では一周電圧Ｖｌが４．５Ｖと低い電圧でプラズマの放電が始まり、プラズマ電流Ｉｐが安定に立ち上がっている｛図３（ａ）｝。 放電開始時の磁場の特徴として、４重極磁場によりプラズマ発生前のプラズマ領域にポロイダル磁場の存在しない点（ヌル点）があり｛図３（ｂ）｝、このヌル点からプラズマが発生している事である｛図３（ｃ）｝。 図３（ａ）の水平磁場は真空容器内の平均水平磁場を計測して負帰還制御しているものである。 この水平磁場をほぼ零にすることにより、真空容器内にヌル点ができる様にしている。 垂直磁場についても同様の負帰還制御を行っている。 この時の一周電圧４．５Ｖは、従来２０Ｖ程度必要であった事と比較すると、大幅に低い電圧である。 また、プラズマ電流を増加させていく段階でもプラズマは安定であった。 このように、放電開始時にプラズマ領域に四重極磁場を加えることで低一周電圧で安定にプラズマ放電開始ができた。 上記の実験において、低い一周電圧でプラズマを安定に起動できた事の原因は、放電が開始される前に変流器磁場に４重極磁場を加えたことが主因である。 放電を開始するためには従来もポロイダル磁場を弱くしていた。 しかし、必ずしもプラズマ領域全体でポロイダル磁場を零にするのでなく、ある一点でポロイダル磁場が零の点（ヌル点）があれば十分であることが上記の実験で判った。
このようなヌル点を作る磁場としては、原理的には４重極磁場以上の多極磁場であれば何でも良い。 しかし、以下の理由により、４重極磁場が最も適している。 ある誤差磁場が存在する場合、ヌル点が基の位置から移動するが、この移動の大きさが４重極磁場の場合が最も小さい。 つまり、誤差磁場の存在に対し強い磁場である。 また、同じ大きさの磁場強度をプラズマ領域で発生しようとする場合、６重極磁場以上の多極磁場より小さいコイル電流で発生できる点も有利である。 プラズマ電流が立ち上がってくると、プラズマ電流のフ−プ力でプラズマの主半径は大きくなろうとしてプラズマ位置が不安定になり易いが、四重極磁場はヌル点の主半径大側でフ−プ力を抑える垂直磁場を持っており、プラズマ位置を安定にしやすい点も利点としてある。 従来法の問題点の１つである放電初期にプラズマ体積が大きくなり、小電流時のふく射損失をジュ−ル加熱で補えない点についても以下のように利点がある。 つまり、放電初期のプラズマはヌル点があった点の近傍にのみ存在することになり、ジュ−ル加熱が小さい領域に集中し、加熱密度が大きくなり、ふく射損失を十分補う事ができる。 従って、本発明は、核融合装置の放電開始時に変流器磁場に加え、４重極磁場をさらに加え、プラズマ発生領域にヌル点を作ると言う点が要点である。 このように作ったヌル点は、その位置を磁場計測により検出し、プラズマの発生が十分確認されるまで負帰還制御する事により、放電開始の再現性が良くなり、プラズマが安定化できる。

【０００６】

【作用】図４（ａ）は、一周電圧を発生するための変流器磁場の磁力線であり、図４（ｂ）は、プラズマ領域にヌル点を作る４重極磁場の磁力線である。 放電開始時の磁場は、これらを合わせたものであり、図４（ｃ）のような磁場である。 この図（ｃ）の磁場は、図（ａ）と図（ｂ）の磁場を重ね合わせた磁場に相当する。 一周電圧は変流器磁場成分を変化させて発生させるが、プラズマ領域では図４（ｃ）のような磁場が、プラズマが発生するまで、保たれる。 一周電圧が加わると、ヌル点付近に存在した小数の電子は、トロイダル磁場の磁力線に沿ってトロイダル方向に加速され移動する。 この時水素原子（分子）に衝突し、プラズマ化させる。 ヌル点以外の場所の電子は、トロイダル方向に移動する間にポロイダル断面内も移動して真空容器壁に衝突し、吸収され、プラズマの発生には寄与しない。 ヌル点付近の電子は、ポロイダル断面内の移動が少ないので、いつまでもヌル点付近に留まり、プラズマの発生に寄与する。 このため低い一周電圧でもプラズマを発生できる。 このようにしてヌル点付近のみにプラズマが発生する。 放電開始時には構造材に渦電流が流れ易いので、プラズマ領域にできる磁場は、コイル電流だけで発生する磁場とは異なってくる。 従って、放電開始時にヌル点を所定の位置に維持するためには、磁場配位の負帰還制御が必要である。 このため、プラズマが十分発生するまでヌル点を計測し、コイル電流を調整して負帰還制御する。 このヌル点位置は、水平磁場により上下方向、垂直磁場により主半径方向の位置が調整できる。 これは、従来のプラズマ位置の負帰還制御と同様であるが、必要な制御利得や計測パラメ−タが異なる場合があり、この場合、放電開始後制御方法を変更することになる。 ４重極磁場の強さは、誤差磁場が有ってもヌル点位置を真空容器内に止める事ができ、また、放電開始時にプラズマが４重極磁場により上下に引かれるために起こる上下位置不安定を安定化できる範囲の大きさとする。 また、放電開始時のプラズマは、４重極磁場を強弱する事によりプラズマの大きさを小・大にできる。 この事を利用し、４重極磁場を調整（負帰還、または、プレプログラム制御）することによつて初期プラズマの大きさを制御し、加熱密度を調整できる。 以上のような調整機能を利用することが放電開始時のプラズマを安定化させ、放電の再現性を向上させる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 図１は、本発明の一実施例であり、核融合装置のプラズマ制御装置のブロック図を示す。 従来の構成と比較して説明する。 従来、プラズマ制御装置としてプラズマ位置形状制御装置があり、その構成は、図１において、磁気検出器２、プラズマ位置形状演算装置５、電源と目標電流（または電圧）値の演算装置からなる位置形状制御装置６、及び、ポロイダルコイル群３である。 この構成においてプラズマ位置形状の負帰還制御を行っていた。 その位置形状の目標値を位置形状指令器７から出力し、変流器磁場成分の指令値を変流器磁場指令器８から出力することにより、放電初期には一周電圧をプレプログラム制御し、プラズマ発生後は、基準プラズマ電流を出力し、
プラズマ電流を制御するものであった。 本発明では以上の構成に、ヌル点および四重極磁場強度の演算検出器４、ヌル点位置指令器９及び四重極磁場強度指令器１０
を加えた構成とする。 図５にはこれらの制御系でプラズマ放電を開始させた時のプラズマ電流Ｉｐ、一周電圧Ｖ
ｌ、四重極磁場強度の時間変化を示す。 時刻ｔ０で一周電圧が加えられ、四重極磁場も同時に加える。 一周電圧は、真空容器を一周方向に流れる電流が立ち上がるまで電圧がかかり難いため、一周電圧の上昇には遅れがある。 一般に四重極磁場の応答は速い。 このため、四重極磁場を加えるタイミングは一周電圧を加え始めるタイミングより遅れても良い。 一周電圧をかけるために変流器磁場の強度は時刻ｔ０からｔ１まで急激に変化させている。 時刻ｔ１以後は、一周電圧を保つように変流器磁場を変化させるのではなく、プラズマ電流を目標値に制御するために変化させるようになる。 つまり、時刻ｔ０からｔ１はＶｌ制御であり、時刻ｔ１以後はプラズマ電流制御である。 従って、図１の変流器磁場指令器８は、時刻ｔ１までは図５の変流器磁場強度のような指令値を出力するが、時刻ｔ１以後はプラズマ電流の指令値を出力する。 この結果、プラズマ電流Ｉｐは、時刻ｔ０からｔ
２まではヌル点位置制御であり、時刻ｔ２以後プラズマ位置制御となる。

【０００８】図６は、時刻ｔ２以前の時刻における磁力線と真空容器、プラズマ発生領域及びコイルの位置関係を示す。 黒丸にＵＰ，ＢＯＴ，ＩＮ，ＯＵＴと併記した点は磁場計測点の例として示した点である。 図４（ｃ）
の磁場配位で一周電圧を加えると、ｘ印のヌル点付近で放電が始まり、プラズマ電流が流れ、プラズマが発生する。 この時の磁力線が図６である。 プラズマ電流が小さいので、真空容器１２に比べてプラズマ１の大きさは小さい、この事はジュ−ル加熱によるプラズマ１への入熱密度が大きい事を示す。 このような小さいプラズマ１であれば、ふく射損失も小さいので、損失以上のジュ−ル加熱を注入する事は容易である。 従って、プラズマ放電開始時の電源容量を低減出来る。 四重極磁場を強くすると、プラズマの断面は小さくなる。 しかし、上下に強く引くようになるので、上下位置は不安定になりやすい。
従って、時刻ｔ２までの四重極磁場の強さは、ふく射損失がジュ−ル加熱より小さくなるように強くし、上下位置が不安定にならないように、過大にならないように決める。 図４（ｃ）に示したヌル点は、プラズマ領域として点線で設定した位置付近に保っておく必要がある。 単純に変流器磁場と四重極磁場を重ね合わせると、図４
（ｃ）の磁場配位となるが、図６に示すように、プラズマ発生領域１１は真空容器壁１２等で囲まれており、一周電圧がかかった時にプラズマ領域周囲には制御できない渦電流が存在する事になる。 このためヌル点は、図４
（ｃ）の様に目標の位置に必ずしも出来ない。 そこで、
プラズマ放電が始まるまでの時間帯でもポロイダル磁場を負帰還制御する。 つまり、図５に示した様に時刻ｔ０
からｔ２までの時間帯でヌル点の位置制御を行う。 これは、図１のヌル点位置・四重極磁場演算検出器４により求めたヌル点位置をヌル点位置指令器９からの基準位置に負帰還制御するものである。

【０００９】ヌル点位置の検出方法としては種々考えられるが、ここでは、もっとも単純なプラズマ位置検出と互換性のある方法を示す。 計測する物理量は黒丸で示した磁場計測点ＵＰ，ＢＯＴ，ＩＮ，ＯＵＴの磁束ψである。 ヌル点が目標位置（プラズマ領域の中心付近）に有れば、位置のずれ（ヌル点水平位置のずれΔＲ，ヌル点垂直位置のずれΔＺ）は次の式で表される。

【数１】

【数２】

を制御し、水平磁場でヌル点垂直位置（ΔＺ）を制御する。 これらの磁場もポロイダルコイル群３で作る。 このような磁場調整は、従来のプラズマ位置制御と同様の方法であるが、本発明ではプラズマが存在しない場合にも、ヌル点と四重極磁場強度に注目して積極的に磁場を制御する事になる。 また、Ｃ１，Ｃ２の値や水平、垂直磁場の制御利得は、プラズマ位置検出・制御の場合とは異なる数値であるので、図５の時刻ｔ２でヌル点位置制御からプラズマ位置制御に移るとき、これらのパラメ−

タは一般的には変更する事になる。

【００１０】プラズマの放電初期にはプラズマの大きさ（小半径）は、概略プラズマ電流を四重極磁場で割った値の０．５乗に比例する。 従って、放電初期にはプラズマの大きさを四重極磁場により制御できる。 このため、
図５のようにプラズマ位置（形状）制御が始まる時刻ｔ
２まではふく射損失を少なくし、放電開始（ブレ−クダウン）を助けるように予め決めた大きさを四重極磁場強度指令器１０より指令して四重極磁場を加える。 時刻ｔ
２以後は四重極磁場強度指令器１０はこの例では動作せず、従来と同様に位置形状指令器６から出力されるプラズマの大きさ、形状を制御するように四重極磁場強度を調節する。 以上のように従来のプラズマ位置形状制御装置６に、ヌル点・四重極磁場演算検出器４、四重極磁場強度指令器１０及びヌル点位置指令器９を付加し、一周電圧がかかり始めてプラズマ電流が立ち上がり始めるまでの時期においても、ヌル点と四重極磁場に注目して、
磁場の負帰還制御を行うことで、低い一周電圧でも安定にプラズマの放電を開始できる。

【００１１】図７は、本発明の他の実施例であり、最も単純化した場合の例として、プレプロブラム方式によりプラズマを立ち上げる場合のプラズマ制御装置のブロック図を示す。 タイミング制御器１４から放電開始指令のタイミング信号１９が出力される。 これに従って、変流器磁場強度指令器８、垂直磁場強度指令器１３及び四重極磁場強度指令器１０が動作を開始し、あらかじめ設定されたプレプログラム指令信号（変流器磁場強度指令信号２０、垂直磁場強度指令信号２１、四重極磁場強度指令信号２２）を電源（変流器コイル電源１５、垂直磁場コイル電源１６、四重極磁場コイル電源１７）に出力する。 各コイル電源は核融合装置本体１８のコイル系にコイル電流２３を出力する。 このシステムは全体として、
放電が開始される以前（ブレ−クダウン時以前）において四重極磁場を独立に制御できる磁場制御装置となっている。

【００１２】以上の図７の動作をタイムチャ−トで書くと図８のようになる。 時刻ｔ０はタイミング制御器１４
から放電開始が指令された時刻である。 その時刻以前に変流器磁場は励磁されている。 時刻ｔ０を過ぎると変流器磁場指令値２０は急激に消磁方向の指令が出力され、
プラズマ発生領域に一周電圧が発生する。 この時刻ｔ０
に合わせて四重極磁場指令値２２もあらかじめ設定された値が出力される。 垂直磁場指令値２１はプラズマ電流Ｉｐの波形に会わせた波形で出力され、プラズマ電流Ｉ
ｐにあわせてプラズマ平衡が維持される。 時刻ｔ１はプラズマの温度がジュ−ル加熱で上昇し、高い一周電圧が不要になる時刻で、プラズマが十分発生できたと考えられる時刻である。 図８の例ではこの時刻以後は四重極磁場強度はプラズマ電流に会わせて立ち上げられ、変流器磁場強度の変化率を低下させ一周電圧をさげる。 このように一周電圧を変化させる変流器磁場やプラズマを平衡に保つ垂直磁場とは独立に四重極磁場を制御できる磁場制御装置を持ったプラズマ制御装置とタイミングチャ−
トのような運転方式により、核融合装置を運転すれば、
低一周電圧で安定にプラズマを発生させる事ができる。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、核融合装置においてプラズマ放電開始を低一周電圧で開始でき、かつ、放電開始時のプラズマを安定化できる効果がある。 これは、四重極磁場を放電開始時に加えておくことでヌル点が存在し、かつ、渦電流等で誤差的な磁場が存在しても、ヌル点がプラズマ領域から外に外れ難いためで、プラズマはこのヌル点付近から安定に発生できることによる。 併せて、ヌル点の位置を制御することができ、プラズマ放電開始時の放電の再現性が向上する効果かある。 また、プラズマ放電を低い電圧で開始することができるので、電源容量の低下、渦電流による電磁力の影響の低下あるいは不純物の混入の防止が図れる。 ひいては、プラズマ位置形状制御系や電源装置のコストを著しく低下することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す核融合装置のプラズマ制御装置のブロック図である。

【図２】従来の放電開始時の磁場を示す磁力線分布であり、変流器磁場を示す。

【図３】本発明の基礎となる実験結果の例を示す。

【図４】従来の放電開始時の変流器磁場（ａ）、四重極磁場（ｂ）及び本発明での放電開始時の磁場（ｃ）を磁力線分布により示す。

【図５】本発明を利用した放電開始時のプラズマ電流、
一周電圧、四重極磁場強度及び変流器磁場強度を示す。

【図６】プラズマ発生直後のポロイダル断面の磁力線分布を示す。

【図７】本発明の他の実施例を示すプレプログラム方式によりプラズマを立ち上げる場合のブロック図である。

【図８】本発明の他の実施例のタイムチャ−トを示す。

【符号の説明】

１ プラズマ ２ 磁気検出器 ３ ポロイダルコイル ４ ヌル点および四重極磁場強度の演算検出器 ５ プラズマ位置形状演算装置 ６ 位置形状制御装置 ７ 位置形状指令器 ８ 変流器磁場強度指令器 ９ ヌル点位置指令器 １０ 四重極磁場強度指令器 １１ プラズマ発生領域 １２ 真空容器壁 １３ 垂直磁場強度指令器 １４ タイミング制御器 １５ 変流器磁場コイル電源 １６ 垂直磁場コイル電源 １７ 四重極磁場コイル電源 １８ 核融合装置本体 １９ タイミング信号 ２０ 変流磁場強度指令信号 ２１ 垂直磁場強度指令信号 ２２ 四重極磁場強度指令信号 ２３ コイル電流