JT-60SAはなぜ実験前に真空容器を200℃まで熱したのか

真空ポンプを回しているのに、容器の圧力が上がる。2023年、茨城県那珂市の核融合実験装置JT-60SAでは、初プラズマを前に真空容器を50℃から200℃へ加熱した。低い圧力が欲しい装置で、なぜ圧力が一時的に上がる工程を挟むのか。その理由は、空気を抜いたあとも容器の壁に残るものにある。

真空ポンプが最初に吸い出すのは、容器の空間にある空気だ。壁や内部機器の表面には水分が付着している。QSTの2020年の試運転記録を読むと、中心支柱の一部や上部ダイバータを覆う炭素タイルの水分まで、取り除く対象に入っている。

壁を温めると、表面に付いていた分子の一部が離れる。そのぶん、ポンプが働いていても容器の圧力は一時的に上がり得る。壁から出てきた気体を排気し続け、放出が落ち着けば圧力は下がる。2023年7月の試運転記録にも、加熱中に圧力が上がり、ベーキング後により低くなったとある。圧力が上がった時間も、壁に残っていたものを外に出す工程の一部なのだ。

どうやって、ドーナツ状の容器全体を温めるのか。JT-60SAの真空容器はステンレス製の二重壁で、内側と外側の殻の間にヒーターで温めた窒素ガスを通す。窒素が流れるのは殻の間だ。その内側には排気している実験空間がある。QSTは通常の運転中、容器を50℃に維持すると説明している。200℃は壁の水分などを追い出すときの温度だ。

同じ時期、コイルは逆向きに温度を変えていた。2023年7月、QSTは超伝導コイルを80 Kから目標の4.5 Kへ冷やす工程を記録している。容器からコイル側へ向かう熱を抑える熱遮蔽体には、約80 Kのヘリウムガスが流れる。液体窒素は冷凍設備でヘリウムを予冷するために使う。容器の二重壁を流れる高温の窒素ガスとは別の系統だ。

圧力の数字を見ただけでは、気体が壁の表面から出たのか、外から入り込んだのかは判断しにくい。ベーキングは容器の内側に残る水分などを減らす工程だ。外から入る経路は別の漏れ試験で調べる。QSTは2020年11月時点で、プラズマを入れる真空容器で260か所、磁石の周囲で断熱を担うクライオスタットで270か所を試験し、漏れがないことを確認したと報告している。

ITERにもプラズマ用と磁石の断熱用に別々の真空系がある。実機の組立写真で、真空容器を囲む磁石、その外側にかぶせる上蓋を順に見てみると、どこを熱し、どこを冷やし、どこの気体を抜くのかが分かりやすい。初プラズマの光が見えるまでに、この三つを同じ装置の中で成り立たせておく必要がある。

JT-60SAの装置全体を見る · ITERのクライオポンプが排気を続ける仕組み