核融合炉におけるプラズマ加熱：NBＩ
原子力を知りたい
「NBＩ」の意味を教えてください。
原子力マニア
NBＩとは、Neutral Particle Beam Injectorの略で、核融合炉のプラズマを外部から加熱する装置のことです。
原子力を知りたい
どうやってプラズマを加熱するのですか？
原子力マニア
まずイオンを加速してビーム化し、中性粒子にしてプラズマに注入します。このビームエネルギーがプラズマを熱します。
ＮＢＩとは。
核融合関連用語「NBI」とは、Neutral Particle Beam Injector（中性粒子ビーム注入器）の略称です。
磁場を閉じ込めるタイプの核融合炉において、重水素や三重水素のプラズマ粒子が十分な核反応を起こすには、まず外部からプラズマを加熱する必要があります。その加熱方法の一つがNBIです。
NBIでは、まずイオンをビーム状にして加速します。次に、磁場を通過させ、中心プラズマを加熱するために途中で中性化セルを通過させ、中性粒子に変換します。これにより、プラズマに注入されたビームのエネルギーが熱に変換されます。
加速電圧は40～1000keVで、1ビームで数MWのパワーを注入できます。また、特に高速でトーラス（ドーナツ型構造）の接線方向に打ち込むことで、電流駆動を行う試みも行われています。
NBＩの概要
核融合炉におけるプラズマ加熱には、さまざまな方法がありますが、そのうちの1つが中性粒子ビーム注入（NBＩ）です。NBＩとは、高エネルギーの中性粒子をプラズマ中に注入し、プラズマを熱するための手法です。中性粒子はプラズマと直接相互作用しないため、プラズマの中心にまで注入することができます。これにより、プラズマの 中心部の温度 を効率的に上昇させることができ、核融合反応に必要な条件を満たすことができます。
NBＩで使用する中性粒子は、イオン源で生成します。イオン源では、水素やヘリウムなどのガスを電離してイオンを作ります。このイオンを加速し、中和器で電子を付加して中性粒子に変換します。生成された中性粒子は、高電圧に加速されてプラズマに注入されます。
NBＩの仕組み
核融合炉におけるプラズマ加熱NBＩの仕組み
NBとはニュートラルビームインジェクションの略で、プラズマ加熱技術の一つです。この手法では、高エネルギーの粒子ビームをプラズマ中に注入し、衝突によってプラズマ粒子に運動エネルギーを与えます。そのため、プラズマの温度を上昇させ、核融合反応に必要な条件を満たすことができます。
NBＩシステムには、イオン源、加速器、偏向器、絞込み器などのコンポーネントが含まれています。イオン源では高エネルギーの原子核が生成され、加速器ではそれらの原子核がさらに加速されます。偏向器は原子核を中性粒子（原子）に変換し、絞込み器は中性粒子をビーム状に成形します。
NBＩの利点
核融合炉において、プラズマを核融合反応に必要な高温・高密度状態にまで加熱する手法として採用されているのが、中性粒子ビーム入射加熱（NBＩ）と呼ばれる手法です。NBＩは、いくつかの利点を有しています。
まず、プラズマの中心にエネルギーを直接注入できるという特徴があります。これにより、プラズマの加熱効率が向上し、核融合反応に必要な条件が容易に達成できます。また、NBＩは大型化が容易で、高出力の加熱を実現できるため、大規模な核融合炉への適用性が高いとされています。さらに、プラズマを汚染しないというメリットがあるため、核融合炉の運転中に発生する放射性廃棄物の低減に貢献します。
NBＩの課題
-NBＩの課題-
中性粒子注入 (NBＩ) は核融合炉のプラズマ加熱に広く利用される手法だが、いくつかの課題も存在する。最も重要な課題の1つは、注入されたイオンの大半がプラズマ境界で荷電交換によってイオン化することである。この現象は、プラズマ中心部まで粒子が到達するのを妨げ、加熱効率を低下させる。
もう一つの課題は、注入イオンが プラズマ中の不純物と衝突し、放射損失を引き起こすことである。この放射損失は、プラズマのエネルギーを奪い、加熱効率をさらに低下させる。さらに、NBＩ装置は、大規模で複雑であり、建設とメンテナンスに多額の費用がかかる。
NBＩの応用
-NBＩの応用-
核融合炉において、プラズマ加熱に利用されている中性粒子ビーム入射（NBＩ）は、その他の分野でも幅広い応用が期待されています。 例えば、材料科学では、プラズマ処理による表面改質や薄膜形成にNBＩが活用されています。また、医療分野では、NBＩを利用したガン治療法の研究が進められています。NBＩによる高エネルギー中性子線の照射により、がん細胞に特異的にダメージを与えることができます。さらに、宇宙探査においても、NBＩはイオン推進器の推進剤として使用されており、低燃費で効率的な宇宙機の開発に貢献しています。