ダイバータ剥離

ダイバータ剥離（divertor detachment）とは、磁気閉じ込め核融合装置のダイバータにおいて、プラズマの熱および粒子フラックスがターゲット板に到達する前に体積的な散逸過程によって強く減衰し、プラズマがターゲットから「剥がれた」状態になる現象である。核融合炉ではコアプラズマから流出する数10 MW規模の熱が、幅数mmの薄い層を伝ってダイバータターゲットの狭い帯域に集中するため、緩和策がなければ材料の許容限界（10 MW/m²程度）を大きく超える熱負荷がかかる。ダイバータ剥離は、この定常熱負荷とスパッタリングによる侵食を同時に抑えられる最も有力な解決策とされており、ITER以降の炉設計では事実上の前提条件となっている。

図は、ダイバータ剥離が進行する様子を、超伝導トカマクMAST-UのスーパーXダイバータを例に、プラズマ中で起きる原子・分子過程の分布とともに示した模式図である。左上から右下へ、電離領域がターゲットから離れ、分子活性化再結合、電子・イオン再結合の領域が次々とターゲットから離れていくという、剥離の四つの段階が描かれている。

定義と排熱における役割

トカマクの周辺プラズマでは、コアから断面方向に輸送された熱は磁力線に沿って狭い層（スクレイプオフ層）を伝い、X点を経由してダイバータターゲットへ導かれる。通常の付着状態では、ターゲット表面の電子温度は数十eV以上に保たれ、熱流束は磁力線の集まり具合で決まる狭い帯に集中する。タングステン壁を想定した場合、スパッタリングによる侵食を許容範囲に抑えるにはターゲット近傍の電子温度を5 eV以下に下げる必要があり、これは付着状態とは桁違いに低い温度である。

剥離とは、この温度を下げる過程がターゲット手前のプラズマ中で自発的に進行し、並行方向の熱流と圧力がターゲットに届く前に失われる状態を指す。具体的には、ターゲット電子温度が数eVまで下がると、中性原子・分子との電荷交換や分子活性化過程によってイオンの運動量とエネルギーが奪われ、さらに1 eV以下では体積再結合が加わる。その結果、ターゲット表面の電子圧力は最大で100倍程度、それに伴う熱流束とイオンフラックスも同程度まで減少する。実験では、イオン飽和電流密度（粒子フラックスの指標）が上流密度の増加に対してある点でピークを迎え、減少に転じる「ロールオーバー」が剥離開始の標準的な目安として用いられる。

ただし剥離には代償がある。低温・高輻射の領域がX点まで達し、さらにコア側に侵入すると、コアのエネルギー閉じ込めが劣化し、不純物や中性粒子の侵入が増える。また剥離が深くなるとダイバータでの不純物・ヘリウム圧縮能が低下し、炉での排気設計に支障を来す。このためITERでは、剥離フロントをターゲットからX点までのポロイダル距離の15%程度の位置に保つ部分剥離を想定しており、ターゲット熱負荷を約40分の1に低減しつつ、コア性能とヘリウム排気の両立を図る設計としている。剥離の「深さ」、すなわちフロント位置の制御が、炉設計の中心課題の一つである。

剥離の物理

剥離の本質は、沿磁力線方向の熱流と圧力平衡が破れて低温領域が形成され、その前端（剥離フロント、熱フロントとも呼ばれる）がターゲットからX点方向へ移動する現象である。フロントは温度勾配の急な薄い層であり、上流側の高温プラズマ（数十eV以上）と、下流側の電離・再結合など中性粒子過程が支配的な低温領域（数eV以下）の境界を成す。フロントより下流では、中性粒子との電荷交換がイオンの運動量を奪い（体積運動量損失）、再結合がイオンを消滅させることで、ターゲットへの圧力と粒子フラックスが失われる。

ターゲットイオン電流のロールオーバーの原因については、実験と解析モデルの両面から詳しく調べられている。トカマク実験による分光測定に基づく解析では、剥離の進行中は再結合によるイオン損失よりも、電離源そのものの減少、すなわち電離に使える電力の枯渇（「電力飢餓」）と、1回の電離に必要なエネルギーの増加が主因であることが示された。イオン源が維持できるかどうかは、フロントを通って下流へ届く電力と、そこで生み出されるイオン数の比で決まり、この比が臨界値（解析モデルの予測と一致する）を下回るとイオンフラックスが転落する。これは、ターゲット電子温度がシース伝達係数で規定される電離エネルギー程度（数eV）まで下がることと表裏一体である。一方、ターゲット静圧の低下には体積運動量損失と上流側圧力損失の両方が寄与する。

低温領域では水素分子の関与も重要である。分子活性化再結合（MAR）や電子・イオン再結合（EIR）といったプラズマ―分子相互作用は、深い剥離状態での粒子収支や分光診断の解釈に本質的な役割を果たすことが、複数の装置で定量的に示されている。これらの過程は現在のエッジシミュレーションコードでは完全には組み込まれておらず、現行装置から炉への外挿における不確実性の一つとされている。

図は、同一放電内で不純物（ネオン）注入量を段階的に変えた際のダイバータターゲット前の断面プロファイルを、付着状態・部分剥離・深い剥離の各段階で比較したものである。イオン飽和電流密度と電子圧力のピークが、不純物注入の増加とともにセパラトリクス近傍で崩れ、分布がブロードになる様子が読み取れる。

達成条件：燃料供給と不純物シード

剥離を達成するには、ダイバータのプラズマ温度を下げる必要があり、その手段は主に二つある。第一は水素（重水素）ガスの増量供給による上流密度の上昇で、中性粒子の再循環を増やしてダイバータ内の散逸を強める。第二は窒素・ネオン・アルゴンなどの不純物ガスの注入（シード）で、低Z不純物は10 eVから数十eVの温度帯で効率的に輻射し、等方的に熱を放出する。炉級のプラズマで剥離に必要な輻射割合はITERで6割超、DEMOでは9割超と見積もられており、後者では強力な不純物シードが不可欠となる。

必要な不純物濃度と分離画密度には、スケーリング則が提案されている。輻射支配の散逸を仮定した一次元理論によれば、剥離に必要な分離画密度と不純物濃度は、流入電力とプラズマ電流にほぼ比例して増える。これは直感的には、投入電力が大きいほど多くの輻射損失が必要であり、電流が大きいほど熱流束の幅が狭くなって単位面積当たりの負荷が増えるためである。このスケーリングは複数装置の実験データベースとおおむね整合しており、多機種にわたる系統的レビューから、安定な剥離状態を維持するのに必要な燃料・不純物ガス供給量のスケーリング則の構築も進められている。これは炉の燃料サイクル設計において、供給量の見積もりが数桁違うと設計が成立しないために重要である。

ダイバータの幾何も達成条件に大きく影響する。閉じた（バッフル付きの）ダイバータでは中性粒子が閉じ込められ、ダイバータ内の中性圧力が上がるため、同じ入力条件でも開放型より低い密度で剥離に到達できることが実験で示されている。効果は、中性閉じ込めによるペデスタル燃料供給の抑制と、ダイバータ内不純物濃度の上昇による輻射促進の二つに分けて説明される。また、水素と不純物ガスの同時注入が単独注入よりも効率的に剥離をもたらす相乗効果が、トカマク以外の装置でも報告されている。

磁場配位と先進ダイバータ

従来型のX点ダイバータでは、剥離フロント位置の制御変数（上流密度、不純物注入率、流入電力）に対する感度が高く、剥離の「窓」、すなわちターゲットでの剥離開始からX点まで到達するまでの制御変数の範囲が狭い。解析モデルと実験の両方から、この窓の広さは磁場配位によって大きく変えられることが分かっている。鍵となるのは、X点からターゲットに向かう全磁場の変化（全磁束拡大）と、ダイバータ脚の長さである。磁場がターゲットに向かって弱まると、磁束管の断面積が広がって並行熱流束が下流へ向かって減少するため、フロントが移動しても放射損失と熱流入の釣り合いが短距離で回復し、フロントが安定する。放射体積も磁場比に比例して増大する。脚を長くすることも制御性を改善するが、効果は全磁束拡大ほど強くない。

この知見に基づき、複数の先進ダイバータ構成が提案・実験されている。複数X点を持つスノーフレーク、磁束拡大を大きく取るXダイバータ、ターゲット半径を大きくして全磁束拡大と長い脚を両立するスーパーX、ターゲット近くにX点を置くX点ターゲット型などである。これらは剥離到達しきい値の低下、散逸能力の向上、フロント位置感度の低減を狙ったものである。球状トカマクでのスーパーX実験では、従来配位と比べて剥離開始密度がグリーンウォルド密度の半分程度に下がり、熱負荷が約10分の1に低減されるなど、モデル予測を支持する結果が得られている。一方、同じスーパーXでもバッフルのない装置では顕著な改善が見られないなど、磁場配位単独ではなく中性閉じ込めとの組み合わせが効いていることが示されており、磁気トポロジーと中性粒子閉じ込めの役割を分離する実験が進められている。

図は、同一装置内でスキャンされた複数のダイバータ磁場配位を、セパラトリクス形状の重ね描きで示したものである。通常の縦長ダイバータと、ターゲット半径を大きく取ったスーパーX配位の違いが、X点からターゲットまでの脚の長さと広がりとして見て取れる。

制御と診断

剥離は一度達成すれば安定なのではなく、入力電力の変動やELM（エッジ局在モード）などの過渡現象で再付着したり、逆に深くなりすぎてコア性能を損なったりする。このため、フィードバック制御によるフロント位置の維持が長パルス運転の必須要件とされる。制御には、不純物ガス供給量を操作量とし、何らかの計測量を目標値に追従させる構成が一般的である。用いられてきたフィードバックセンサには、X点近傍の輻射測定、ターゲットの熱電流や表面温度、ダイバータプローブによる粒子流・電子温度、分光信号など多様なものがあり、それぞれ制御できるフロント位置の範囲が異なる。例えばX点輻射制御はフロントをX点近くまで寄せられる一方、ターゲット温度制御はフロントをターゲット近くに保つ。超伝導トカマクでの長パルス実験では、浮動電位をフィードバック信号として用い、26秒以上にわたりエネルギー閉じ込め係数1.1程度を維持したまま周期的な剥離制御を行うことが実証されており、高出力長パルスでプローブの侵食や信号劣化が問題になる炉を意識した、頑健なセンサ選択が進んでいる。

図は、長パルスHモード放電におけるフィードバック制御の実例で、上段から順に、フィードバック信号としての浮動電位と不純物ガスパルス、全輻射出力、ターゲット近傍の電子温度、ターゲット表面温度、エネルギー閉じ込め係数、有効イオン価数の時間発展を示す。ガス供給の断続に応じてターゲット温度が周期的に変動しながら目標値付近に保たれ、閉じ込め性能が維持されている様子が分かる。

診断の面では、ターゲット近傍の電子温度・密度（トムソン散乱、プローブ）、粒子フラックス（プローブ）、輻射分布（ボロメータ）、水素バルマー線や分子スペクトルの分光観測などが組み合わされて用いられる。特に分光診断は、電離領域や再結合領域の空間分布をフロントの位置として直接捉える手段を与え、二次元エッジシミュレーション（SOLPS-ITERなど）との定量比較を通じてモデル検証の基盤となっている。また、二次元の電子密度分布を高速に撮像するコヒーレンスイメージングなどの新しい診断により、剥離フロント下流での密度進化が中性粒子との衝突による減速と再結合によるイオン消滅の競合で記述できることなど、深い剥離の物理が直接観測されつつある。さらに、ELM制御用の磁気擾乱が剥離特性に与える影響や、剥離とELM抑制の両立、剥離状態でのターゲット侵食・再堆積の変化など、炉運転に直結する統合課題も活発に研究されている。