周辺輸送

周辺輸送（edge transport）とは、磁気閉じ込めプラズマの最外側、すなわち閉じ込め領域の縁（エッジ）から分離層（SOL: scrape-off layer）を経てダイバータに至る領域における、粒子・熱・運動量の輸送を指す。この領域の輸送は、プラズマ中心部の輸送とは物理が大きく異なり、開いた磁力線に沿った平行輸送、中性粒子の再結合・電離を伴う再循環、そして強い乱流が支配する。周辺輸送の理解がとりわけ重要なのは、エッジの圧力分布がプラズマ全体の閉じ込め性能の境界条件を与えるとともに、LモードからHモードへの遷移やエッジ局在モード（ELM）の安定性を決めるからである。実際、Hモードの成立は周辺輸送が自発的に低下する現象そのものであり、周辺輸送の研究は閉じ込め改善の物理の中核をなしてきた。

周辺輸送とL–H遷移

トカマクやヘリカル装置のプラズマは、加熱出力が低い間はLモード（low confinement mode）と呼ばれる比較的粗い閉じ込め状態にある。加熱出力をある閾値以上に上げると、プラズマは数ミリ秒程度の速さでHモード（high confinement mode）へ遷移し、エッジの密度・温度が急峻になる。このL–H遷移は周辺輸送の自発的な低下であり、遷移の閾値出力は多機種データベースからスケーリングが得られているが、密度依存性には単純でない側面がある。輸送コードを用いた解析では、低密度放電では遷移閾値出力が増加することが再現され、その理由としてエッジでの粒子対流による熱損失の寄与が強まること、すなわち対流損失が大きいとエッジ温度とその勾配が下がり、遷移に必要な出力が増えることが説明されている。一方で、計算値・実験値のいずれもスケーリング予測より高い値をとる場合があり、閾値の定量的予測は今なお課題である。遷移の可逆性も確認されており、ヘリカル装置での実験では加熱出力を上下させることでエッジ輸送障壁の形成と後退（バックトランジション）が制御され、閾値出力がほぼ密度に比例することが示された。遷移時には水素のHα発光が急激に低下し、その時定数は高加熱力率で約1ミリ秒と速い。

遷移の素過程を捉えるには、遷移前後の短時間にわたってエッジの流速・乱流場を追う必要がある。図は、Lモード様の相とHモード様の相が交互に現れる「ディザリング」遷移の位相において、乱流の垂直方向速度の半径方向分布が時間とともにどう変化するかを示したものである。

図の縦軸は乱流の垂直速度、横軸は正規化された小半径であり、Lモード様相ではエッジ側で速度が大きく変動するのに対し、Hモード様相では分布がまとまり、エッジのせん断構造が発達している様子が読み取れる。このような観測は、遷移が乱流の運動と電場せん断の競合として進行することを直接示すものである。

エッジ輸送障壁（ペデスタル）

Hモードではエッジに「輸送障壁（edge transport barrier, ETB）」が形成される。障壁とは、乱流輸送が局所的に抑制され、密度・温度の勾配が急峻になった薄い層であり、その内側に高い圧力の台地（ペデスタル）が築かれる。ペデスタルの頂上の圧力がプラズマ全体の貯蔵エネルギー、ひいては閉じ込め性能の上限をほぼ決めるため、障壁の物理は炉設計に直結する。障壁は熱輸送だけでなく粒子輸送にも形成され、エッジ密度の増加と密度勾配領域の外側への移動が観測される。トカマクに限らずヘリカル装置でも同様の障壁が形成されることが確認されており、L–H遷移の物理が磁場配位の詳細を超えた普遍性を持つことを示している。また、コアの内部輸送障壁とエッジ障壁が併存する放電では、両者が維持する貯蔵エネルギーの配分や、ELMによる障壁の劣化と回復が全体性能を左右する。

障壁の幅と勾配は、乱流による輸送と、勾配を緩和しようとする安定性限界（ペデスタルの圧力勾配がバルーニング安定性限界に達するとELMが発生する）との釣り合いで決まると考えられている。しかし近年、この描像を超える現象も見いだされている。閉じたダイバータ配位（分離点が遮蔽板の内側にあり、プラズマと壁の接触が強く抑制された状態）では、密度ペデスタルと温度ペデスタルの半径位置がずれ、電子温度のスケール長に対する密度スケール長の比 ηe = Ln/LTe が大きくなることで電子スケール乱流が増強され、ペデスタルが理論的・経験的な幅スケーリングよりも広く「太る」ことが直接測定された。この乱流によるペデスタルの幅の拡大は、圧力勾配を低く抑えつつ高いペデスタル温度を可能にするため、高性能コアと放熱性の高いダイバータを両立させる「コア・エッジ統合」の新たな道として注目されている。

障壁の輸送特性を実験的に分離すること自体が難しい問題である。熱輸送は熱源と温度・密度分布から拡散係数を比較的直接的に求められるが、粒子輸送では拡散と対流（対流速度）が同時に存在し、定常分布だけでは両者を分離できない。そこで燃料ガスのパフを変調して非定常状態を作り、密度・温度分布の応答を輸送コードで同時に再現する手法が用いられる。この種の実験からは、ペデスタル頂上でも足元でも、熱・粒子の拡散係数が燃料供給に短時間で敏感に応答することが示されており、粒子輸送の理解が熱輸送より遅れている実情を補う手法として定着しつつある。

障壁の形成・維持が不純物輸送にも影響することは運転上重要である。障壁は中心部への不純物の侵入を妨げる「ふるい」の役割を果たす一方、ELMフリーのHモードでは障壁内への不純物蓄積が放射損失を通じて放電を悪化させうる。このため、障壁を完全に保つ代わりに、粒子輸送障壁を連続的に劣化させて不純物蓄積を避ける運転領域（例えばAlcator C-Modで見いだされたEDA Hモードのように、準連続的な小規模乱流活動が粒子を排出しつつ熱閉じ込めを保つ領域）が、高密度運転の実用的な選択肢となっている。

乱流抑制とせん断流の物理

L–H遷移の標準的な理解は、電場せん断による乱流抑制である。プラズマエッジには半径方向電場が存在し、それがもたらす E×B 回転の半径方向勾配（せん断）が、乱流渦を引き伸ばして破壊することで乱流による半径方向フラックスを減らす。乱流が弱まると圧力勾配が保てるようになり、それがさらに電場を駆動するという正のフィードバックが働くことで、遷移は双安定な「分岐」として起こる。この描き方はコアの内部輸送障壁にも共通して適用され、コアで電場せん断がエッジとは独立に自発的に生じる観測や、因果関係を検証する実験を通じて洗練されてきた。理論面では、ある不安定モードが抑制されると従来は覆い隠されていた下位の輸送過程が観測可能になるため、予測的輸送理論の構築には複数の乱流駆動機構の同時理解が必要とされる。

せん断流の実態は、乱流の垂直速度そのものの測定によって調べられている。前述のディザリング遷移の観測のように、遷移の数ミリ秒の間に乱流速度分布が再編成される様子が捉えられており、Hモード様相ではエッジの速度せん断が強まって乱流フラックスが減少することが確認される。また、障壁を担う磁力線に沿った揺らぎが大きな垂直速度で伝播するという測定結果は、その速度が障壁形成を担う大きな速度せん断を反映していることを示唆する。乱流抑制の程度は運転領域によって異なり、例えばリチウムコーティングした壁を用いた球状トカマク実験では、壁条件の変化がエッジ乱流と輸送の低減をもたらすことが報告されている。さらに、共鳴磁気擾乱（RMP）を外部から印加するとエッジの乱流構造が多スケールで変化し、輸送が低減する状態が得られることがある。これはELM抑制の手法としても用いられるもので、三次元磁場がエッジ輸送を変調する好例である。

ELMと障壁の劣化

ペデスタルの圧力勾配が安定性限界を超えると、エッジ局在モード（ELM）と呼ばれる周期的な爆発的不安定が起こり、障壁が部分的に崩壊して粒子・エネルギーが分離層へ吐き出される。ELMはペデスタルをリセットして障壁を再形成させるため、定常Hモードでは障壁の形成と劣化の繰り返しが基本サイクルとなる。JT-60Uでの解析では、内部輸送障壁とエッジ輸送障壁が支える貯蔵エネルギーのバランスに対するELMとL–H遷移の効果が系統的に調べられ、エッジ障壁の状態が全放電性能を律速することが示された。一方、Alcator C-ModではタイプI ELMが観測されず、代わりに粒子輸送障壁が準連続的に劣化する運転領域が見いだされた。この劣化を担う不安定は高い圧力と長い磁力線接続長で増強されることが運転領域のパラメータ依存性から推定されており、ELMの有無とその様式が装置条件に強く依存することを示している。球状トカマクでもELMとエッジ輸送の関係が調べられており、狭い装置でもペデスタル安定性の枠組みが共通に適用できることが確かめられつつある。

分離層・ダイバータでの周辺輸送とモデリング

障壁の外側、分離層とダイバータでは、輸送の物理が根本的に変わる。磁力線は開いており、粒子と熱は主に磁力線に沿って数メートルの距離を高速で運ばれ、遮蔽板に衝突して再結合する。生じた中性粒子は再びプラズマに電離されて供給源となる「再循環」が成立し、エッジの密度分布はこの源と輸送の釣り合いで決まる。主室壁での再循環とエッジ輸送が相互に結合していることは、ASDEX Upgradeでの系統的な研究から示されている。また、タングステンのような高原子番号不純物については、主室壁からの供給源とエッジ輸送、障壁によるふるい分けがダイバータ条件に応じて変化し、コアへの侵入量が決まる。この不純物ふるい分けは、壁材をタングステンとする現代の装置で中心的な課題である。

分離層・ダイバータの輸送を定量的に扱うには数値モデリングが不可欠であり、B2SOLPS5.2に代表される多次元流体輸送コードが標準的な道具である。MAST Upgradeのスーパーエックスダイバータ（分離点を遠方に引き延ばして熱流束を希釈する配位）のシミュレーションでは、低磁場側ダイバータでの温度・熱流束の低減が再現された一方、電場・磁場勾配に起因するドリフトと平行電流を初めて含めた計算により、接続されたダブルヌル配位で上下非対称の熱負荷が生じることが明らかになった。ドリフトを無視した従来の計算ではこの非対称性は現れないため、分離層輸送ではドリフト効果が定性的に重要である。同様に、ITERへの共鳴磁気擾乱印加時の三次元エッジ輸送・ダイバータ流束の予測、ヘリカルダイバータ配位のエルゴード磁場層での障壁形成（LHDで観測された）、磁島を含むエッジ輸送のトカマクと反転磁場ピンチの比較など、三次元性の強い問題への展開が進んでいる。手法面でも、中性粒子の流体・運動論的扱いやトレーサー不純物のハイブリッド手法、さらには入力パラメータ最適化への機械学習の応用まで、モデル化の道具は多様化している。

エッジ輸送の全体像を貫く主題は、閉じ込め性能と壁負荷の両立、すなわちコア・エッジ統合である。ペデスタルが高圧力を保つほど炉の性能は上がるが、その分ELMや定常熱流束が壁を傷める。乱流によるペデスタルの幅の拡大や、放熱性ダイバータとの組み合わせ、RMPによるELM抑制といった方策は、いずれも周辺輸送の制御という同じ問題の異なる側面であり、エッジの輸送物理の予測能力がそのまま炉の設計余裕を決めるといえる。