電荷を消して、熱を届ける。中性粒子ビーム加熱のしくみ

磁場で閉じ込めたプラズマに、外から熱を届ける。そのために粒子を加速すると電荷が必要なのに、電荷を持ったままでは磁場で軌道が曲がる。この二つの条件をつなぐのが、中性粒子ビーム入射加熱（NBI）です。

NBIは、粒子の電荷を工程ごとに使い分ける技術です。本稿では原理から負イオン源、実験結果の読み方までを、ドイツのマックス・プランク・プラズマ物理研究所（IPP）のELISEと、イタリアのMITICAを例に解説します。掲載写真は各機関が公開した研究設備の写真です。

イオンは電荷を持つ粒子です。電場で加速し、運動エネルギーを与えることができます。NBIでは、まずイオン源で粒子を作り、高電圧で加速します。その後、中性化器を通して電荷を持たない原子に変えます。

中性原子なら、荷電粒子のように磁場によって曲げられず、閉じ込め磁場を横切ってプラズマへ入れます。そこで衝突を通じて再びイオンとなり、エネルギーを周囲へ渡していきます。電荷を外す目的は、加速で得たエネルギーを消すことではありません。届けたい場所まで運ぶための状態変更です。

ここでいう「中性粒子」は水素などの原子です。核融合反応で発生する中性子とは別のものです。また、中性化されずに残ったイオンは取り除いて専用の受け止め部へ導きます。作ったビームが、そのまますべて加熱に使われるわけではありません。IPPのNBI原理解説は、この一連の流れを説明しています。

水素原子から電子を取り去ると正イオンになり、電子を余分に付けると負イオンになります。どちらも電場で加速できますが、高いエネルギーで中性化する際の性質が異なります。

IPPによれば、ITER向けに想定する高エネルギー領域では、正イオンから中性粒子を作る効率が低下するため、負イオンを出発点にします。大型のプラズマへエネルギーを届ける要求が、イオン源の方式にまでさかのぼって影響するのです。負イオンを選べば装置全体の課題が解決する、という意味ではありません。

ELISEの技術解説では、高周波で源内のプラズマを作り、セシウムの薄い層を利用して負イオン生成を促す方法が説明されています。重要なのは、必要な粒子を大量に作ることに加え、広い面積から安定して取り出せることです。イオン源は、単なる高電圧電源の付属品ではありません。

写真に見える多数の開口を備えた部品が、ELISEの加速グリッドです。大面積の源から粒子を取り出す装置では、全体の電流だけを増やすより難しい課題があります。場所による偏りや時間変動を抑え、部品を傷めずに運転を続けなければなりません。

IPPが2018年7月4日に発表したELISEの試験では、負水素イオンの23アンペアのビームを1,000秒維持しました。一方、その時点では電源の制約があり、ITERが求める電流密度への到達とは分けて説明されていました。当時の発表は、長く動いたことと、必要な密度で動いたことを区別するよい例です。

アンペアは電流の大きさ、アンペア毎平方メートルは面積当たりの電流です。発表を比較するときは、同じ指標なのかを先に確かめる必要があります。運転時間だけを並べても、要求性能への近づき方は分かりません。

IPPの2024年4月29日発表によると、同年3月28日の実験では、負水素イオンを約300アンペア毎平方メートルで600秒取り出しました。別の10秒の短いパルスでは330アンペア毎平方メートルを達成しています。この二つを合わせて「330で600秒」と読むことはできません。

長時間化を支えたのは、イオンと一緒に取り出される電子の制御です。電子がグリッドを過熱させる問題を抑える必要がありました。発表時点では、重水素での達成や、最大1時間の維持は次の目標として記されていました。

ELISEの源の面積はITER向けの半分です。したがって、これは重要なイオン源の試験成果ですが、ITERでの加熱運転や発電を示す記録ではありません。試験対象、粒子種、電流密度、継続時間を一組で読むことで、成果の意味と残された段階が見えてきます。

イオン源を出た先にも、大型設備が続きます。実寸大の中性粒子入射装置の試作機MITICAでは、源、ビーム輸送、排気、計測などを組み合わせた検証が必要です。

Fusion for Energy（F4E）は2025年7月8日、MITICAへのクライオポンプ設置を発表しました。容器内の残留ガスを捕えるため、二つのフレームに組まれた192枚のパネルを約4ケルビンまで冷やす設計です。ビームの通り道の真空を支える設備であり、この低温は加熱対象のプラズマ温度を意味しません。

写真の二列の構造からは、排気設備もビームラインの大きな部分を占めることが分かります。同発表は設置後の検査や試運転を次の工程として述べています。「据え付けた」「冷却できた」「必要な排気性能を維持できた」は、それぞれ違う到達点です。

F4Eの2026年7月9日発表では、MITICA向けのビーム源とカロリメータの搬入が報告されました。カロリメータはビームを受け止め、その出力を測る装置です。MITICAには加熱対象となる核融合プラズマがないため、ビームの性能を試験装置として評価します。

同発表では、搬入した低出力用カロリメータに加え、将来の高出力用への更新も説明されています。設置は発表時点で翌年の予定でした。部品の到着を、統合運転の完了と読み替えることはできません。

ELISEで源の生成・引き出しを研究し、MITICAで実寸大の装置として検証する。この関係を押さえると、同じNBIという言葉が付いたニュースでも、どのリスクを小さくした成果なのかを判断しやすくなります。

ここからは、上記の技術と試験工程を踏まえた事業上の考察です。NBIへの参入を考えるなら、「高出力装置」というひとくくりの市場像より、自社が責任を持てる性能と、相手側設備との接続条件を整理する方が実務に役立ちます。

例えば精密加工ならグリッドの形状だけでなく、使用時の熱負荷や交換方法までが論点になります。真空・低温機器なら、単体性能に加えて組み込み後の漏れ、排気、冷却の試験が重要になります。計測ではビーム全体の出力と、その空間分布を区別する必要があります。ここで挙げた領域は技術の読み解きであり、現在募集中の調達案件を示すものではありません。

発表資料を読む際の確認事項は三つです。第一に測定した量は何か。第二に、どの粒子種・面積・時間で得た値か。第三に、単体試験か統合試験か。その境界が明確な成果ほど、次の設計判断へ結び付けやすくなります。

NBIも粒子を入れますが、主な狙いは高速粒子のエネルギーを届けることです。凍結した燃料を運ぶペレット入射による粒子補給や密度制御とは、設計上の中心課題が異なります。核融合装置を理解する際は、「燃料を供給する」「加熱する」「閉じ込める」を分け、それらが同時に働く必要があると考えると整理できます。