プラズマ物理

このセクションでは、核融合反応に不可欠な物質の第四状態であるプラズマの物理を解説します。

プラズマとは

プラズマとは、自由電子とイオンからなる電離気体です。核融合に必要な高温（1億度以上）では、物質はこのプラズマ状態で存在します。通常の気体と異なり、プラズマは集団的な振る舞いを示し、電磁場に強く応答します。

核融合装置で扱うプラズマは「高温プラズマ」または「熱核融合プラズマ」と呼ばれ、熱エネルギーが電離と核融合反応を駆動するほどの高温に達しています。

プラズマの振る舞いを特徴づけるいくつかの重要なパラメータがあります。

プラズマ物理学では、温度はしばしば電子ボルト（eV）で表されます。

1 \text{ eV} = 11,600 \text{ K}

D-T反応には通常10-20 keV（約1億〜2億度）の温度が必要です。

プラズマ密度 $n$ は単位体積あたりの粒子数を表します。磁場閉じ込め核融合では：

n \sim 10^{19} - 10^{20} \text{ m}^{-3}

これは固体の密度よりはるかに低いですが、十分な閉じ込め時間と組み合わせることで核融合に十分な条件となります。

プラズマ周波数 $\omega_p$ はプラズマ中の電子の固有振動数です。

\omega_p = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0 m_e}}

$n_e \sim 10^{20}$ m $^{-3}$ の典型的な核融合プラズマでは、 $\omega_p \sim 10^{11}$ rad/s となります。

デバイ長 $\lambda_D$ はプラズマにおける特性的な遮蔽距離です。

\lambda_D = \sqrt{\frac{\varepsilon_0 k_B T_e}{n_e e^2}}

このパラメータはデバイ遮蔽を理解する上で基本となります。

プラズマの特徴的な性質は、その集団的な振る舞いです。個々の粒子間相互作用ではなく、プラズマは波動的な現象を示し、摂動に対して集団的に応答します。これは長距離クーロン力により多数の粒子が同時に相互作用できるためです。

集団的振る舞いの条件は次のように表されます。

N_D = \frac{4}{3}\pi n \lambda_D^3 \gg 1

ここで $N_D$ はデバイ球内の粒子数です。核融合プラズマでは $N_D \sim 10^6 - 10^9$ であり、強い集団的振る舞いを示すことがわかります。

プラズマ物理学の理解は、制御核融合を実現する上で極めて重要です。