3.2.1. 燃料供給のコンセプト
核融合反応の実証炉であるITERに対して，商業的に利用されるような核融合 炉では更に高温高圧の閉じ込めが必要であると考えられている．このような100 keV を超える超高温プラズマでは，前述のペレット入射やガスパフを行っても 供給した燃料は表面で電離してしまい，燃料供給は困難である．このため従来の 方法に代わる燃料供給方法として，御手洗は主プラズマ(Main plasma)の上部に副 プラズマ(Secondary plasma)を誘起し，これらの電流間の引力によってプラズマ を合体させる方法を提案している[7]．
Fig. 3.5 MAST装置での実験で観測された，立ち上げから合体までの間の電子温度・電
子密度・イオン温度の時間発展[6]．
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3.2.2. 間欠的燃料供給モデル
合体による燃料供給を行うためには，移送合体プロセスを間欠的に継続しな ければならない．このプロセスはペレット入射による供給と類似した形になっ ており，連続的な供給とは異なる形となる．連続燃料供給の場合と間欠燃料供給 の場合それぞれの，1次元シミュレーションにおける核融合出力値の想定がFig.
3.6である．連続燃料供給の場合はガスパフを想定しており，グラフ上部の半円 形のグラフが供給ガス量，下が増加エネルギーを示す．こちらの場合，2秒間の 供給インターバルの間にゆっくりとエネルギーが増減していることがわかる．
ただし，ガスパフでは本来高温高圧の D-3He 核融合炉などにおいてコア領域ま で燃料が浸潤しないことに留意したい．
Fig. 3.6 連続燃料供給の際の供給パターン(上)とそれによって増加したプラズマのエネ
ルギー(下) [8]．
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一方でFig. 3.7に示した間欠的燃料供給の場合，供給パターンがパルス的であ るためプラズマのエネルギーは供給終了後すぐに減衰し，初期のエネルギー水 準を下回る．しかし減衰が一定まで達した段階で再度供給を行うというサイク ルを繰り返すことで，エネルギーを一定量に保持することが出来る．
3.2.3. 燃料供給用プラズマ生成シナリオ
燃料供給を行う副プラズマの生成は，外部コイルによる電流励起によってな される．この際の主プラズマに対する励起用コイルの位置関係はFig. 3.7に示 す形となる．下部の楕円形の主プラズマに対して上部の円形の副プラズマを励 起しており，コイルにより作られた磁場であるBHとBVによってポロイダル磁 場を形成させる．ここで励起用の電流IOHを減衰させることによって電磁誘導 でプラズマ電流Ipが励起する．これらのパラメータの燃料供給プロセス中の時 間推移を示したのがFig. 3.8であり，一つ前の副プラズマが合体する少し前の タイミングから副プラズマの励起を始め，これを繰り返し運転するというプロ セスになっている．
Fig. 3.7 間欠的燃料供給の場合の供給パターン(赤)と供給されたプラズマのエネルギー推移
(青) [8]．
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3.2.4. 燃料供給のための装置設計
以上の燃料供給プロセスを実際のST炉で行う場合には，通常の炉とは異な る設計が必要になる．これは装置上部に副プラズマ専用の生成領域を確保する ということであり，Fig. 3.9に示す装置断面が提案された[7]．この生成領域は左 の図に示すように磁場のヌル領域とする必要があり，キャンセルコイルによっ
Fig. 3.7 Secondary plasmaのMain plasmaに対する位置関係と，励起に関係するコイ
ル及びその磁場・電流の概略図
Fig. 3.8 燃料供給プロセスにおける，副プラズマ励起に関わる各パラメータの時間推移
[8]．
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て領域を確保する．前述のプラズマの励起の後の副プラズマは右図のようにな ると考えられ，これを後方のプッシュコイルで押し出すことで移送プロセスを 開始する．
3.2.5. 明らかにすべき事象
以上の点が御手洗による燃料供給プロセスの立ち上げ部分の想定であるが，
Fig. 3.9 副プラズマ生成領域付きの大型ST炉と，そのコイル磁場による磁力線図(左)
及び主プラズマ磁場(右)[8]．
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これ以降の移送・合体に関わるプロセスでの詳細なプラズマの動きについては，
1次元シミュレーションだけでは想定が難しい．よって，燃料の供給効果などを 含めた移送・合体プロセスの専用の数値シミュレーションを行うことで，これら のプロセスが妥当であるかを検証する必要がある．
この方法として，我々は副プラズマの励起プロセスは無視し，立ち上がって平 衡となった状態からの移送合体の計算を行った．立ち上げプロセスを無視する ことで実際の装置に起こり得る生成後のプラズマの不安定性は考慮しないこと になるが，今回のシミュレーションではあくまで合体現象に着目した効果の検 証を行うため，これらの要素は簡単化する．このため計算ではまず前述のSTに ついての平衡計算を行うことで，想定される装置の主プラズマと副プラズマを 含めた初期状態を求める．これを外部磁場変化によって初期加速する 3 次元 MHDシミュレーションを，汎用的な抵抗性MHDシミュレーションコードであ るMIPSコード[7]を用いて行い，プラズマの合体衝突過程を計算する．この合体 プロセスを再現することにより得られた計算結果において，プラズマ供給の有 用性や合体過程の安定性を検証し，この方法がSTへの燃料供給方法として有用 か否かを判断する．