アルゴン

アルゴンは原子番号18の希ガスであり、プラズマ科学と核融合研究において二つの顔を持つ物質である。一つには、電子衝突による電離の研究が体系的に進んできた標準的なプラズマ用ガスであり、大気圧放電からヘリコンプラズマに至るまで実験・モデル化の基準媒質として広く用いられる。もう一つは、核融合炉心プラズマにとっては不純物であり、一方でその強い放射能力を利用してダイバータの熱負荷を緩和したり、ディスラプションを緩和したりするための意図的な不純物シード(注入)ガスでもある。本項では、この両面、すなわち作業ガスとしてのアルゴンプラズマの物理と、核融合装置におけるシード不純物としての挙動・制御について述べる。

アルゴンというプラズマ作業ガスおよび不純物

アルゴンは希ガスのうち安価で大量に入手でき、単原子であるため分子の解離過程がなく、電離・励起の断面積がよく知られている。このため低圧グロー放電、誘導結合プラズマ、マイクロ波放電、大気圧プラズマジェットなど、基礎・応用両方のプラズマ実験で最も標準的な作業ガスとなっている。大気圧アルゴンプラズマでは電子と重粒子の間の衝突が激しく、電子温度とガス(重粒子)温度が分離した「二温度」状態が実現しやすい。これはアルゴンプラズマの基礎問題として古くはエレンバース=ヘラー問題の形で理論化され、現代では電子エネルギー分布関数を考慮したエネルギー損失の評価や、衝突放射モデルの簡略化(主成分分析による縮約など)といった形で研究が続いている。ヘリウムを混合すると放電特性が変化するなど、混合ガスによる特性制御も研究対象である。

一方、核融合の磁場閉じ込めプラズマにおいてアルゴンは電荷数 Z = 18 の高不純物である。真空容器内にわずかに混入しても中心部で高電荷状態に電離され、制動放射や線放射を通じてエネルギーを失う。この放射損失は、意図的に注入すればダイバータ保護に役立つが、過剰になれば炉心の性能を直接損なう。したがって炉心プラズマにとってアルゴンは「量を制御すべき不純物」であり、その輸送と制御が独立の研究課題となる。また負水素イオン源など核融合周辺機器の放電でもアルゴンが添加ガスとして使われ、その効果が三次元流体シミュレーションで調べられている。

ダイバータ熱負荷緩和のためのアルゴンシード

次世代トカマクでは、炉心からスクレイプオフ層へ流れ出る熱流がダイバータ板に集中し、許容限界(目安として10 MW/m²)を大きく超える。これを緩和する有力な手段が不純物シードであり、窒素・ネオンと並んでアルゴンが候補とされる。シードされたアルゴンは帯域ごとに放射を生み、特に高電荷状態のものは比較的プラズマ外周寄りの領域で強く放射するため、ダイバータに到達する前にエネルギーを光として広げることができる。放射を強めてプラズマと壁の間に「放射マントル」を形成する発想である。

シード効果を正しく評価するには、注入位置による三次元的な非対称性を扱える輸送計算が不可欠である。実際、トロイダル方向に局所化したアルゴン注入を三次元エッジ輸送コードで解析すると、電子密度・電子温度の分布は注入位置に応じてトロイダル非対称性を示すことが分かっている。図はその一例で、X字型ダイバータ構成を持つ次世代装置を想定した計算における、特定の注入位置(IS1)へのアルゴンシード時の断面分布である。

図中には、電子密度、電子温度、アルゴンイオン密度(Ar¹⁺–Ar¹⁸⁺の和)、およびアルゴンによる放射損失の空間分布が並んで示されている。電子温度は磁力線に沿ったスクレイプオフ層で高い一方、アルゴンイオンと放射損失はダイバータ近傍の低温領域に集中しており、シードした不純物が熱の流れを放射へ変換してダイバータ板を守る様子が見て取れる。

注入位置の選び方も重要である。上流(マグネットバッフルの外側)で注入するか、ダイバータ打ち込み点で注入するかで、熱負荷のトロイダル分布が対称になるか非対称になるかが逆転する場合がある。また注入位置によって放射損失の総量と入力電力に対する割合が大きく変わり、最適な位置では損失効率が極小となる。図は、注入位置を変えたときのアルゴンによるエネルギー損失(左軸、MW)と、入力電力に対する損失の割合(右軸、%)の変化を示したものである。

図が示すように、注入位置によって損失電力は数十MWのオーダーで変動し、その割合も一桁近く変わる。これは、同じ量のアルゴンを注入しても、どこで注入するかによって放射が炉心側とエッジ側のどちらで生じるかが変わり、炉心汚染と熱負荷緩和のトレードオフが変わることを意味する。実験面でも、EASTやASDEX Upgrade などで放射電力のフィードバック制御と組み合わせたアルゴンシード運転が行われ、ELM(エッジ局在モード)を伴わない高閉じ込め運転の実現などが報告されている。

ディスラプション緩和におけるアルゴン

トカマクのディスラプションでは、プラズマ温度と電流が急激に失われ、さらに高エネルギーのランナウェイ電子が生成されて壁に深刻な損傷を与えうる。これを緩和する主要な手段が、大量の不純物をペレットとして一気に注入することである。ITER では破砕ペレット注入(SPI)が採用予定であり、その不純物としてネオンやアルゴンが用いられる。アルゴンは原子番号が大きく、単位質量あたりの放射能力が高いため、熱クエンチを促進してプラズマの熱エネルギーを壁ではなく放射として安全に放出させるのに適している。

しかしディスラプション緩和には本質的なジレンマがある。熱クエンチ後の低温プラズマ中では、電場による加速を衝突損失が打ち消せなくなり、ランナウェイ電子が生成して「ランナウェイ電子プラトー」と呼ばれる電流状態が形成されうる。つまり熱負荷を抑えるために注入した不純物ペレットが、今度はランナウェイ電子の生成条件を整えてしまうのである。このため緩和性能の評価には、ペレットのアブレーション、電離と放射、磁気流体力学(MHD)挙動、ランナウェイ電子の生成と損失を一括して扱う多物理・多スケールの三次元シミュレーションが不可欠である。図は、アルゴンペレットを注入したディスラプションの三次元シミュレーションにおける、注入面内の二次元構造を示したものである。

図の4枚は、注入から約1.5ミリ秒後のアルゴン密度、電子温度、プラズマ電流、ランナウェイ電流の分布であり、アルゴンの局所的な堆積が電子温度の空洞と電流分布の変形を引き起こし、その外周でランナウェイ電流が形成される様子を表している。この種の計算では、三次元効果がランナウェイ電子の即時損失を大きく左右する、すなわち二次元計算は最終的なランナウェイ電流を過大評価する、という点が重要な知見として得られている。これはランナウェイ電子緩和コイルによって三次元的な擾乱を加えて電子を早期に失わせるという対策の妥当性を裏付けるものである。

炉心におけるアルゴン輸送と制御

シードしたアルゴンが炉心に蓄積すれば、放射損失と燃料希釈によって性能が劣化し、最悪の場合は放射損失起因のディスラプションを誘発する。したがって「シードするが蓄積させない」ための輸送制御が鍵となる。不純物輸送は拡散係数と対流速度で記述され、対流が内向きなら中心蓄積、外向きなら排出を意味する。実験では、アルゴンを燃料ガスの1%程度まで微量に注入し、軟X線アレイや真空紫外分光でその放射を観測することで輸送係数が求められる。

電子サイクロトロン加熱(ECH/ECRH)はアルゴン輸送を制御する有力な手段である。KSTAR の L モード実験では、中心加熱ほど炉心のアルゴン放射を大きく減らし、加熱位置を外側にずらすと効果が弱まること、そして中心加熱時には対流が内向きから外向きに反転して中空(中心が低い)のアルゴン密度分布が形成されることが示された。J-TEXT でも、ECRH の入射位置をセオトゥース反転半径の内側と外側のどちらに置くかでアルゴン輸送が変調され、いずれの場合も前駆振動を伴って外向き対流が強まり、アルゴンが壁側へ運ばれることが報告されている。これらの結果は、加熱がマイクロ乱流やトロイダル回転を通じて不純物対流に影響することを示しており、新古典輸送と乱流安定性の両面から解釈されている。

一方で、アルゴンシードは必ずしも悪影響だけをもたらさない。EAST の実験では、アルゴン注入後にイオン温度と閉じ込め指標が明確に上昇した。高電荷・大質量の不純物は衝突性を高め、E×B せん断流を強めることでイオン温度勾配(ITG)乱流を安定化するためであり、不純物密度の半径方向プロファイル(内側にピークを持つか外側にピークを持つか)も乱流安定性を左右する。JT-60U の放射マントル実験では、アルゴンシードによって蓄積エネルギーが約40%増加したと報告されている。このようにアルゴンは「放射による熱負荷緩和」と「乱流制御による閉じ込め向上」という二つの効果を持ち、その濃度とプロファイルをどう制御するかが次世代装置の運転設計の重要課題となっている。

アルゴンプラズマのモデル化と診断

アルゴンが標準作業ガスであることは、モデル化と診断の面でも有利である。アルゴンの電離・励起・再結合断面積は整備されており、電子密度・電子温度・放射強度を結び付ける衝突放射モデルが確立されている。ただし状態数が膨大なため、主成分分析を用いたモデル縮約のように、計算コストと精度の両立を図る研究も行われている。大気圧プラズマでは局所熱平衡が成り立たないため、電子と重粒子に別々の温度を与える二温度モデルが用いられ、低圧の高周波プラズマ柱ではガス温度方程式の取り扱い自体が研究課題となる。

診断の面では、レーザートムソン散乱による電子密度・電子温度の局所測定、光学放射・吸収分光と衝突放射モデルの組み合わせ、キャビティリングダウン分光によるイオン速度分布の測定など、多様な手法がアルゴンプラズマに適用されている。例えば誘導結合アルゴンプラズマに酸素を微量混入すると電子密度が顕著に低下する様子がトムソン散乱で観測されるなど、微量添加ガスの影響を定量的に捉えられるのは、アルゴンプラズマが清浄で再現性の高い基準系だからである。エネルギー損失の内訳(電離・励起・放射・輸送)を電子エネルギー分布関数から評価する研究も進んでおり、これらの知見は核融合装置におけるアルゴンシードの放射モデル、ひいてはディスラプション緩和やダイバータ設計の予測精度を支える基盤となっている。