周辺プラズマ

周辺プラズマ（edge plasma）とは、磁気閉じ込め核融合装置において、閉じた磁力線で囲まれた高温度のコア領域の外側、最外閉じた磁面（LCFS、分離面）から壁に至るまでの薄い層のプラズマを指す。核融合出力を担うコアに比べ密度・温度は低いが、圧力勾配が急峻であり、閉じ込め性能、不純物制御、排熱、壁との相互作用といった装置運転の成否を左右する物理が集中する領域である。分離面を越えて開いた磁力線上に広がる薄い層はスクレイプオフ層（SOL）と呼ばれ、ここではプラズマが磁力線に沿ってダイバータターゲットへと導かれ、粒子と熱が装置表面へ失われる。

周辺領域とスクレイプオフ層

コアでは磁面が入れ子状に閉じており、粒子は磁力線に沿ってしか動けないため長く閉じ込められる。しかし乱流や衝突によって粒子は磁面を横切って輸送され、分離面を越えると開いた磁力線上に入る。SOLでは磁力線はトロイダル方向に数回巻いたのちダイバータターゲットに当たるため、そこへ至るまでの間に粒子と熱が表面へ流出する。SOLの典型的な状態は電子温度でおよそ10〜100 eV程度と低く、衝突性が高く、背景に対してオーダー1に及ぶ大振幅の乱流変動を特徴とする。半径方向のプロファイルは指数関数的に減衰することが実測で確かめられている。

SOLのダイナミクスは、コアからの流出、磁力線を横切る乱流輸送、磁力線に沿った平行流、ターゲットへの損失という収支で決まる。壁との界面では、電子はイオンより移動度が高いため先に壁へ到達し、デバイ長数枚分の正味の正電荷層――デバイシース――が形成される。このシースは電位障壁としてイオンを壁へ加速し電子を反発することで両種の粒子流束をほぼ等しく保ち、プラズマの準中性を維持する。SOLから表面へ向かう粒子・エネルギー流束はこのシースに強く支配される。さらに中性粒子の挙動も重要で、中性ガスはプラズマを冷却して衝突性を高める。分離面近傍の電子圧力勾配スケール長は、広い運転条件にわたって正規化された電子衝突周波数の単調な関数として振る舞うことが示されており、SOLの状態が電磁流体ドリフト乱流によって制御されているという描像を支持する。この描像では、正規化衝突性パラメータがある値を下回ると磁力線横方向の熱対流が急増して平行熱伝導と競合し、高密度側の運転領域がエネルギー的に到達不能になる。トカマクの密度限界がこうして周辺プラズマの状態と結び付いている。

分離面を境にした密度・電子温度・プラズマ電位の半径方向プロファイルの典型を以下の図に示す。分離面の外側で密度と温度が急峻に落ち、プラズマ電位がピークを持ち、SOLの薄い層としての構造が読み取れる。

図は、分離面（破線）を挟んで (a) 周辺電子密度、(b) 電子温度、(c) プラズマ電位、(d) トロイダル磁場変動の半径方向分布を示したものである。密度・温度は分離面の内側で急峻に立ち上がり、外側のSOLで指数関数的に減衰し、プラズマ電位は分離面近傍で極大をとる。

周辺乱流、ブロブと磁場横方向輸送

閉じ込められたプラズマが磁面を横切って失われる主要な経路が周辺乱流である。特に重要なのがフィラメント（ブロブ）と呼ばれる構造で、磁力線に沿って伸びた密度擾乱が、曲率と∇Bドリフトによって内部で電荷分離を起こし、その結果生じる双極子電位のE×Bドリフトによって半径方向へ対流的に運ばれる。フィラメントは自身の直径の数倍もの距離を伝搬し、熱・粒子・運動量をエッジからSOLへ運ぶ。このように乱流構造自身が輸送を担う過程は乱流拡散（turbulence spreading）として知られ、SOLの乱流状態を駆動する。

フィラメントの伝搬速度は、平行接続長と衝突性で決まる二つのレジームに分けられる。高密度・長接続長の側では慣性レジームで速く進み、短い接続長でシースに接続されると、電流が表面で閉じて電荷分離が緩和されるため、構造が小さくなり速度も落ちる。このレジーム遷移はSOL密度プロファイルに「肩（shoulder）」を形成し、SOLの幅を決める要因の一つとなる。トカマクではこの機構がよく確立されているが、ヘリカル装置では様相が異なる。例えばW7-Xでは大半径が大きいため曲率駆動が弱く、フィラメントの半径方向移動距離が短く、SOL輸送への寄与はトカマクより小さい。ただし磁気島へ密度を運ぶ役割は重要で、アイランドダイバータの運転パラメータに影響する。またヘリカル装置では曲率が磁力線に沿って急速に変化するため、フィラメントの異なる部分が異なる速度で動き、構造のデコヒーレンスが起こりうる。曲率駆動が一様でないと、曲率極大位置では典型的なキノコ状構造へ成長して垂直方向に伝搬する一方、曲率ゼロの位置では構造が磁力線方向に広がるだけで垂直伝搬しない。この様子を示したのが次の図である。

図は、磁力線に沿って正弦波的に変化する曲率駆動を受けたフィラメントのシミュレーション結果で、上段が全体の様子、下段が曲率極大・ゼロ・極小位置での断面を示す。曲率極大・極小ではキノコ状の構造が垂直方向へ伝搬し、ゼロ曲率では構造が磁力線に沿って広がるのみであることが分かる。

乱流による輸送は静電的なものが主として研究されてきたが、磁気変動に起因する粒子輸送の寄与も無視できない。反転磁場ピンチでは磁気変動駆動の粒子流束が強い電場シアとE×Bゾーナルフローを生み、磁気リコネクション事象に伴う密度プロファイル緩和と結び付くことが示されている。高規格ベータ運転では電磁乱流の強度が増すため、次世代装置では静電・電磁の両機構を含む輸送モデルが必要となる。また、密度・温度・電位の変動は測定の対象としても基本的であり、トカマクやヘリカル装置、反転磁場ピンチのいずれでも周辺プローブ計測による変動スペクトルや準凝集構造（quasi-coherent mode）の解析が行われてきた。

Hモード ペデスタル、ELMとエッジ安定性

低閉じ込め（Lモード）から高閉じ込め（Hモード）への遷移時には、エッジに急峻な圧力勾配層――ペデスタル（pedestal、基壇）――が形成される。この形成にはエッジの径方向電場が本質的である。イオン軌道損失によって遷移時に内向き電場が急速に生じる機構が知られており、E×Bシアが乱流を抑制して閉じ込めを改善する。Hモードではペデスタルの圧力勾配がバルーニング安定性限界に近づき、限界を超えるとエッジ局在化モード（ELM）としてエッジプラズマが周期的に崩壊する。ペデスタルの安定性はバルーニングパラメータと電流分布で決まり、エッジの運転領域はこの二つのパラメータが張る位相空間の狭い領域に制限される。

密度を上げていくとHモードは密度限界に達する。金属壁装置での研究では、エッジがMHDバルーニング限界に達すると閉じ込めが劣化するが、炭素壁装置と比べて金属壁装置ではマージナルなディザリング相が比較的長く続き、Hモード密度限界が約2割高くなることが示されている。このディザリング相の描像は、SOL密度が増えると衝突性が上がってSOLが広がり、電場シアが弱まってLモードへ落ち、密度が下がると再びシアが強まってHモードへ戻る、という振動サイクルである。燃焼プラズマ装置では、MHD限界直下でディザリング運転を行うことが、コア密度と融合性能を最大化しつつプラズマ・材料相互作用を抑える有力な選択肢と考えられている。また共鳴磁気摂動（RMP）を印加してELMを緩和する運転では、摂動がエッジの粒子・熱輸送をどう変えるかが鍵であり、ジャイロキネティック計算によれば、ペデスタルからの粒子排出は主として磁気分離面近傍の確率的磁力線領域を介して起こり、電子の熱障壁自体はペデスタルの急勾配領域に保たれることが示されている。

ダイバータ、排熱とプラズマ・壁相互作用

コアから流出した熱と粒子をどう受け止めるかは、周辺プラズマ物理の中心的課題である。ダイバータは開いた磁力線の足を遠隔のターゲットに集め、プラズマを中性化・排気する装置要素であり、SOLを流れる熱流をターゲット上で分散・放射冷却して壁への熱負荷を許容範囲に抑える役割を担う。ダイバータの閉じ度合い（closure）は中性粒子の分布を通じてエッジ全体に影響する。例えばストライクポイントをダイバータ隅に近づけて中性圧を上げると、SOLで電子温度が下がり電子密度が上がり、主プラズマへのタングステン不純物侵入と放射損失が顕著に減って貯蔵エネルギーが増す。一方で中性粒子がペデスタルまで侵入して燃料供給を増やす効果もあり、ダイバータ形状設計はこの二面性を考慮して行われる。

プラズマ・壁相互作用は不純物源でもある。壁材のスパッタリングや化学的侵食で生じた炭素やタングステンは周辺プラズマ中で輸送され、再堆積やダスト形成につながる。高Z材料のダスト粒子は周辺プラズマ中で加熱・昇華・電離され、瞬間的な不純物流入となるため、そのアブレーション過程のモデル化が行われている。リチウムをコーティングや注入に用いてエッジプラズマを制御する技術も研究されてきた。壁材の選択（炭素からタングステン等の金属壁への移行）がエッジの不純物輸送や密度限界の挙動を大きく変えることは前節の通りで、排気・排熱・不純物制御は一体として設計されなければならない。エッジの磁気島を利用してプラズマ・壁相互作用を局在化させるローカルアイランドダイバータのような、ヘリカル装置特有の排気概念も提案・実証されている。

周辺プラズマのモデル化と診断

エッジ・SOLのシミュレーションは、コアの乱流計算よりはるかに難しい。変動が背景に対してオーダー1に達するため線形化が使えず、空間スケールはジャイロ半径から装置サイズまで、時間スケールはジャイロ運動から乱流まで及ぶ。さらにシース境界条件、複雑なダイバータ幾何、中性ガス動力学、原子・分子過程を含まねばならない。このため実用上は流体・ジャイロ流体コードが主流であり、最小限の物理を含む三次元モデルでSOL乱流変動の振幅や空間構造を実験と整合的に再現できることが示されている。興味深いことに、こうした計算は、トロイダル平均した原子反応率が5〜10 eV以下では乱流変動によって強く修正されることを明らかにしており、軸対称平均に基づく従来のエッジ・ダイバータモデルの妥当性に本質的な不確かさがあることを示唆する。一方、第一原理に基づくジャイロキネティック・シミュレーションも進展しており、粒子インセル（PIC）法と連続体法の二つの解法が並行して発展している。PIC法では多数の物理粒子を少数のマーカー（スーパーパーティクル）で近似するため統計ノイズが1/√Nで生じるが、ノイズ低減手法の整備が進んでいる。エッジ・SOLでは両手法の物理モデルが大きく異なるため、相互検証（cross-check）による信頼性確保が重要とされる。

診断の面では、周辺プラズマは低温度・低密度で勾配が急なため、局所計測が可能なラングミュアプローブが中心的役割を果たしてきた。往復プローブによる密度・温度・電位・浮遊電位の半径方向プロファイルと変動計測は、フィラメントや準凝集構造の研究の基礎データを供給してきた。高速カメラは複雑な三次元磁気幾何中のフィラメントを広いトロイダル範囲で直接観察できる手段であり、フィラメント活動が磁気島と緩く整合した特定の極方向領域に偏って現れる様子を捉えることができる。次の図はその一例である。

図は、標準配置の放電における処理済みカメラ画像で、フィラメントに由来する光強度変動が磁気島の位置（点線）とおおむね対応する特定の極方向領域に集中して見えることを示す。このような偏在は、フィラメントが磁気島へ密度を輸送しアイランドダイバータの運転に影響するという描像と整合する。

これに加え、XUV分光による不純物イオンの状態診断、荷電交換再結合分光による電場・回転計測、中性粒子ビームプローブなど、電磁気学的・分光的な手法もエッジ計測を支えている。エッジプラズマの理解は、こうした計測と、流体からジャイロキネティックまでの階層的なモデル化の突き合わせを通じて進んでおり、ITER以降の装置で排熱と閉じ込めを両立させるための基盤となっている。