コンパクトヘリカルシステム

コンパクトヘリカルシステム(CHS)は、日本の核融合科学研究所に建設された低アスペクト比のヘリオトロン/トーサトロン型核融合実験装置である。トーラス状のプラズマを磁気面で閉じ込めるヘリカル系の一つで、主要半径に対してプラズマ小半径が大きい(アスペクト比が低い)ことが特徴で、トカマクとは異なりプラズマ電流に頼らず螺旋コイルの磁場だけで平衡を作る。CHSは小型装置でありながら、輸送障壁、電場構造、新古典輸送、高エネルギー粒子の振る舞いなど、トーラス閉じ込め一般に共通する物理の実験的理解に大きく貢献し、その知見は後継の大型ヘリカル装置や準軸対称スタセレータの設計に引き継がれた。

装置と磁場配位

CHSはヘリオトロン/トーサトロン方式の磁場を用いる。すなわち、トーラスの周りを螺旋状に巻かれた主コイルがトロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を同時に作り、プラズマ電流なしで螺旋状の磁気面を形成する。この方式の利点は、電流駆動が不要で定常運転に近い閉じ込めが原理的に可能なことにある。一方で、磁場の非軸対称性に起因する新古典輸送の増大や、磁気面の外側に広がる磁場領域(ストレラ線)の存在が課題となる。

CHSの最大の特徴は低アスペクト比である。アスペクト比が小さいほど装置をコンパクトにでき、単位体積あたりの磁場利用効率が高いが、ヘリカル系では低アスペクト比化に伴って磁場のリップル(非軸対称性)が強まり、粒子の閉じ込めが悪化しやすい。CHSではこの不利を補うため、真空磁軸の位置をコイル中心に対してシフトさせる操作を主要な制御手段とした。磁軸を内側に寄せた「内側シフト配位」では、ドリフト軌道の最適化によって粒子閉じ込めが改善される。これは、磁場強度の弱磁場側に留まる「渡り粒子」の軌道が、磁軸のシフトによって損失領域から遠ざかるためである。ただし内側シフトはメルシエ基準で評価されるMHD安定性を悪化させるというトレードオフがあり、CHSでは両者を妥協した中間の標準配位を主に用いた。その後の実験で、圧力分布を特別に制約しなくても広い範囲の内側シフト配位が安定に放電できることが示され、ドリフト軌道最適化配位を低衝突領域のプラズマで実験的に検証する道が開かれた。

閉じ込め物理と配位最適化

CHSの実験は、ヘリカル系の輸送が本質的に何によって決まるかを調べる場となった。初期の解析では、熱および粒子の拡散係数が新古典理論の予測を大きく上回り、輸送が異常(乱流)過程に支配されていることが示された。これは静電的乱れに起因すると考えられ、以後の研究の中心課題は「乱流をどう制御して輸送を下げるか」へと移っていく。

配位最適化の指針として、磁軸シフトによる閉じ込め改善が低衝突領域まで有効であることが確認された。また低アスペクト比ヘリカル系特有の問題として、垂直入射した中性ビーム粒子のリップル誘起損失が調べられた。磁場の非軸対称性が強いと、ビーム入射で作られた高速イオンの一部が渡り軌道を通じて直ちに損失するが、その損失割合と損失先の空間構造が測定され、配位依存性が明らかにされた。高速イオンの損失はまた、アルフベン固有モードなどのエネルギー粒子駆動MHD不安定の観測につながり、CHSと大型ヘリカル装置(LHD)との比較を通じて、この種の不安定のスケーリング理解が進んだ。加えて、低トロイダル磁場での運転では電子サイクロトロン波がプラズマに侵入できなくなる過密プラズマに対し、電子バーンスタイン波へのモード変換による加熱・生成が実証されるなど、小型低磁場装置ならではの加熱物理の検証も行われた。

Hモードと内部輸送障壁

CHSの最も重要な成果の一つは、ヘリオトロン/トーサトロンにおけるHモード(高閉じ込めモード)の実証である。Hモードとは、加熱出力が閾値を超えるとプラズマ端に輸送障壁が形成され、閉じ込めが階段的に改善する現象で、もともとトカマクで発見されたものだが、CHSは電流なしのヘリカル系でも同様の遷移が起こることを示した。遷移閾値の出力は密度、磁場強度、磁場配位に依存し、そのスケーリングが系統的に調べられた。この結果は、端部輸送障壁の形成が磁場配位の詳細によらずトーラス閉じ込めに普遍的な現象であることを示すものであり、LHDなど後続のヘリカル装置の運転戦略の基礎となった。

さらにCHSでは、端部ではなくプラズマ内部に形成される内部輸送障壁も観測された。特に重要なのは新古典内部輸送障壁である。これは乱流による異常輸送ではなく、新古典輸送そのものが電場の影響で低減される領域であり、大きな正の径向電場と鋭い電子温度勾配が内部に持続する。障壁形成の動的な過程、障壁内の乱流と定常帯状流(ゾーナルフロー)の性質、そして障壁が端部障壁と共存・相互作用する様子が調べられ、ヘリカル系における閉じ込め改善の物理像が「電場せん断による乱流抑制」と「新古典輸送の自己組織的低減」の二つの機構で理解されるようになった。

電場・流れ・乱流

ヘリカル系ではプラズマ電流が小さいため、径向電場が輸送と回転を支配する役割がトカマクよりも一層顕著である。CHSでは200 keV級の重イオンビームプローブを用いてプラズマ内部の電位分布を直接測定し、電場構造と閉じ込めとの対応を実験的に確立した。これはヘリカル装置における内部電位の空間分解測定の先駆けであり、輸送障壁が「電場の急峻な領域」としてとらえられる描像の実験的裏付けとなった。

電場と流れの関係について、CHSは興味深い観測結果を残している。新古典内部輸送障壁を持つプラズマでは、接線入射中性ビームが駆動するトロイダル流とは逆向きの自発的トロイダル流が生じ、それが十分大きくなるとビーム駆動流を打ち消してトロイダル流の反転が起こる。この自発流は障壁内の大きな正の電場に伴う E×B ドリフトと逆向きの方向に生じており、新古典輸送理論が予測する「電場勾配に起因する残留応力」による流れ生成の直接的な証拠と解釈された。すなわち、乱流や新古典過程が電場構造と流れを互いに自己無撞着に決めるという、トーラス閉じ込めに共通する描像が小型ヘリカル装置で明確に示されたのである。また、プラズマに電極を挿入してアルフベン固有モードの分光を行う手法が開発されるなど、電場・波動・粒子の相互作用的な物理を調べる診断技術の面でもCHSは役割を果たした。

CHS-qa:準軸対称スタセレータへの発展

CHSの経験を踏まえ、核融合科学研究所では低アスペクト比の準軸対称スタセレータCHS-qaが設計された。準軸対称とは、磁場強度の分布をトロイダル方向についてほぼ一定に保つ配位であり、これが実現すると粒子はトカマクと同様に軸対称系のように振る舞う。その結果、ヘリカル系最大の弱点である新古典輸送の増大が大幅に抑えられ、低衝突領域での電子の新古典拡散係数がトカマクと同程度になることが最適化計算で示された。同時に、新古典回転粘性が従来型スタセレータに比べて大きく抑制され、電場と流れがトカマクに近い振る舞いをすることが期待された。

設計では、準軸対称性、回転変換分布、MHD安定性、アルファ粒子の無衝突閉じ込めを評価コードで最適化した。ブートストラップ電流を含む自己無撞着平衡での全体モード安定性が評価され、主半径1.5 m、トロイダル磁場1.5 T級の装置で13万アンペア程度の電流まで安定性が保たれることが示された。工学設計は20本の主モジュラーコイルと補助コイル群からなり、補助コイルによって閉じ込め改善やMHD安定性の実験に応じた配位の柔軟な制御が可能とされた。高ベータ平衡の解析では磁気面の入れ子構造を仮定しないコードが用いられ、端部の磁場構造からダイバータ選択肢の検討も行われた。CHS-qaは、CHSで培われた低アスペクト比ヘリカル系の物理と、準軸対称による新古典輸送低減という二つの考え方を結合した装置であり、ヘリカル系がトカマクに匹敵する閉じ込め性能を狙えることを実験的に検証する次世代の研究基盤として位置づけられている。