電子サイクロトロン電流駆動

電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）とは、トカマクやヘリカル装置のプラズマ中に電子サイクロトロン周波数のマイクロ波を入射し、共鳴する電子に非対称な運動量を与えることでトロイダル方向の電流を非誘導的に駆動する手法である。電流を担う電子の分布関数を共鳴面で直接変形するため、駆動電流の位置をビームの入射角と磁場強度で精密に制御でき、しかもマイクロ波源（ジャイロトロン）は連続運転が可能である。この局所性と定常性ゆえに、ECCDは単なる電流駆動手段を超えて、新古典ティアリングモード（NTM）の安定化をはじめとする磁気流体（MHD）不安定度の能動制御、電流プロファイルの形成、非誘導電流立ち上げなど、現代トカマク運転の中核技術となっている。

原理

電子サイクロトロン共鳴加熱（ECH）とECCDは同じ物理を共有する。プラズマ中の電子は磁場に垂直な面内でサイクロトロン周波数で回転しており、その周波数は局所磁場強度に比例する。入射したマイクロ波は、磁場強度が波の周波数を共鳴条件（高調波を含む）で満たす面で吸収される。トカマクではトロイダル磁場が半径方向に減少するため、この共鳴面の位置は磁場強度の選択で決まり、波の入射角を変えれば共鳴面に沿った吸収位置をさらに調整できる。

ECCDが電流を生む仕掛けは、共鳴の選択性にある。電子のサイクロトロン運動は相対論的効果とドップラー効果によって共鳴周波数をずらす。波をトロイダル方向に対して斜めに入射すると、プラズマ電流と同方向に進む電子と逆向きに進む電子とで共鳴条件が異なり、片方の進行方向の電子だけが優先的に波からエネルギーと運動量を受け取る。この非対称な加熱が、共鳴面付近に正味のトロイダル電流を生む。駆動効率は電子の運動方向の非対称性が大きいほど高いが、斜め入射を強めると共鳴が鋭くなる一方で吸収が弱まるというトレードオフがあり、最適な入射角が存在する。駆動電流の幅は共鳴面近傍のビーム幅とドップラー広がりで決まり、典型的にはプラズマ小半径の数パーセント程度に局在する。この局在性こそが、ECCDを「電流の外科手術」たらしめている点である。

駆動電流の理論記述は準線形理論に基づく。波と共鳴する電子の速度空間での拡散がフコフ・プラナー方程式で記述され、そこから電流密度と駆動効率が計算される。実際の装置では、この計算を平衡磁面座標上のビーム伝搬計算（レイトレーシング）と組み合わせて駆動電流の径方向プロファイルを予測する。図はその一例で、上下のランチャーから入射したマイクロ波のビーム経路と、対応する駆動電流密度および入射パワー密度の径方向プロファイルを示す。共鳴面近傍に電流密度のピークが形成され、入射角の選択でその位置と幅が変わることが分かる。

駆動効率の定量的な目安として、単位入射パワーあたりの駆動電流はプラズマの密度と温度に依存し、高温・低密度のプラズマほど効率が上がる。一般化トカマク幾何での効率計算や、輸送計算と整合させた駆動電流の評価、ドップラー広がりを抑えた場合の効率向上など、予測精度の向上が継続的な研究課題となっている。また、斜め電子サイクロトロン放射を用いた運動量空間分解計測により、準線形理論が予測する共鳴電子の分布変形が実験的に検証されている。

マイクロ波システム：ジャイロトロン、伝送系、可動ランチャー

ECCDシステムは、マイクロ波源、伝送系、プラズマへの入射窓口であるランチャーの三要素からなる。マイクロ波源はジャイロトロンで、磁場中の電子のサイクロトロン運動を利用して100 GHz級から170 GHz級の高出力マイクロ波を発生する。周波数は目的の装置の磁場強度と共鳴条件の整合で選ばれ、例えば140 GHz級のジャイロトロンが中規模トカマクのECH/ECCDに用いられてきた。ITERでは170 GHzが計画周波数であり、1本あたり1 MW級の連続出力が求められる。

ジャイロトロンで発生したマイクロ波は、過圧波導管（コルゲート導波管）を通じてプラズマ側まで伝送される。電子サイクロトロン波の伝搬は偏波に敏感であり、通常モード（Oモード）と異常モード（Xモード）のどちらでプラズマに入射するかが吸収特性を左右する。このため伝送系には偏波面を制御する偏波器が組み込まれ、OモードとXモードの切り替えや楕円偏波の調整を行う。JT-60SAでは広帯域で高パワーに耐える偏波器の開発が進められた。

プラズマ中の共鳴面位置は放電中に変化するため、ECCDの真価を発揮するにはビームの入射方向をリアルタイムで変えられるランチャーが不可欠である。現在の標準は、可動鏡（ステアリングミラー）でビームを偏向させる方式であり、DIII-Dではリアルタイム可動ランチャーを用いて、NTMの島形成を自動検出し、ジャイロトロンを起動し、鏡を動かして島の位置に電流を駆動するという一連の制御が実証された。ITERに向けた設計では、遠隔操縦型（リモートステアリング）ランチャーなど、可動部をプラズマ照射から遠ざけた構成も検討されている。Tore Supraでは長パルス運転を支えるECH/ECCDシステムが構築され、定常運転に向けた技術的基盤が示された。

新古典ティアリングモードの安定化とMHD制御

ECCDの最も重要な応用が、新古典ティアリングモード（NTM）の安定化である。NTMは、磁気島の内部で圧力分布が平坦化されることでブートストラップ電流が局所的に失われ、その欠損がさらに島を成長させるという正帰還で発達する不安定度である。高ベータ運転では、m/n = 2/1や3/2のNTMが閉じ込め性能を劣化させ、最悪の場合ロックモードを経てディスラプションに至る。NTMの発生しきい値は正規化イオン・ジャイロ半径に比例し、衝突性にはほとんど依存しないことが実験的に確立されている。

NTMを安定化する原理は明快である。磁気島の位置、すなわち有理磁面に一致させてプラズマ電流と同方向のECCDを局所的に注入し、失われたブートストラップ電流を補えば、島を駆動する正帰還が断たれる。安定化に必要なのは電流の大きさよりも位置の精度であり、ビームが島の中心からずれると必要パワーが急増する。ASDEX Upgradeでは、トロイダル磁場をわざと変化させて共鳴面位置を調整するフィードフォワード制御によりビーム位置を精密に合わせ、全加熱パワーの約1割のECCD入力でベータN = 2.5の放電においてNTMの完全安定化を実証した。EASTでも、外部共鳴磁場擾乱（RMP）で生成した2/1島に対してECCDを注入する実験が行われ、安定化が入射位置に敏感であること、そして島のO点（島の中心）に電流を当て続ければ成長初期にNTMを回避できることが示された。図はEASTでのNTM安定化実験の時間発展を示す。ECCD投入後、ミルノフコイル信号から評価した島幅が減少してモードが消滅し、ECCDを注入しなかった放電では島が成長し続ける対比が見て取れる。

安定化効率を上げる工夫がいくつか実証されている。回転する島のO点がビーム位置を通過する半周期だけECCDを変調する方式は、島幅がビーム幅より小さい場合に連続注入より効率が良い。また、NTMが飽和寸法に達する前の成長段階、あるいは発生前に先回りしてECCDを注入する先回り（プリエンプティブ）安定化は、飽和した島を消すのに必要なピークパワーを大幅に下げられる。DIII-Dでは、MSE分光による平衡再構築をリアルタイムに用いて有理面を追尾しながら先回りECCDを行い、3/2と2/1の両モードの発生を、飽和モードの除去に必要な電力よりはるかに低い電力で防止した。さらに、外部RMPで島のO点の位相をECCDの注入位相に固定して常にO点に電流を当てる方式や、島内部で駆動電流が凝縮する効果を利用する方式も理論・実験の両面から検討されている。

NTM制御以外のMHD応用も広がっている。ヘリカル装置では、高エネルギー粒子が駆動するMHDモードに対するECH/ECCDの影響が調べられている。また、HモードのエッジでRMPによって形成される磁気島（幅が小半径の1〜2%程度と中心部のNTM島よりずっと小さい）に対するエッジ局所ECCDの効果がDIII-Dで調べられ、電流方向の選択でRMPによるELM抑制のしきい値を上下できる可能性が示された。すなわちプラズマ電流と同方向のECCDは島を安定化してELM抑制を妨げうる一方、逆方向のECCDはELM抑制に必要なRMP電流のしきい値を下げる。ECCDがエッジ物理の制御アクチュエータにもなりうることを示す結果である。

電流プロファイル制御、立ち上げと応用

ECCDの第二の柱は、電流プロファイルの能動形成である。トカマクの閉じ込めと安定性は電流分布に強く依存するため、中心部や特定の半径位置に電流を加減しながら注入することで、先進的運転に必要な逆シア配位や高ベータ安定領域を作り出せる。DIII-Dでは、先回りECCDによってNTMを未然に防ぐことで、より高い安定ベータを達成した。また、ECCDで駆動した電流の位置を時間とともに移動させる制御をモデル予測制御に組み込む研究も進められており、輸送の遅れを考慮した電流プロファイルのフィードバック制御への道が開かれている。低域混成波電流駆動（LHCD）との相乗効果、すなわちLHCDが作る高速電子テールをECCDがさらに加速して電流駆動効率を上げる現象も、理論と実験の両面で確認されている。TRIAM-1Mではリモートステアリングアンテナを用いてLHCDプラズマ中でのECCD実験が行われた。

第三の応用は、非誘導的なプラズマ電流の立ち上げである。将来の球状トカマクでは中心ソレノイドの空間が狭く、変圧器による電流立ち上げが困難であるため、マイクロ波だけでプラズマを生成し電流を立ち上げる手法が重要となる。電子サイクロトロン波は装置外部から入射できるため真空容器内の熱負荷が小さく、連続高出力源が利用可能である。球状トカマクではトロイダル磁場の勾配が急なため複数の共鳴層が共存し、高調波共鳴と相対論的ドップラーシフトの組み合わせで、一方向に進む高エネルギー電子が選択的に加速されて正味の電流が流れる。QUESTでは28 GHzのマイクロ波を可動ミラー付きアンテナから入射する電流立ち上げ実験が行われており、図はその実験配置を示す。ビーム拡張用の凸面鏡と集光用の凹面鏡からなる二段ミラーのアンテナがビームを入射し、第二高調波共鳴層が容器内の所定位置に配置されている。

電流立ち上げでは高エネルギー電子が電流を担う一方、吸収がその電子に偏るために主電子の加熱効率が下がるという課題がある。QUESTでは、プラズマ電流と逆向きのトロイダル電場（遅延電場）を印加して高エネルギー電子の過剰な成長を抑えつつ電流を維持する実験が行われ、主電子の加熱効率改善が図られている。このようにECCDとECHは、電流駆動、加熱、不安定度制御という三つの役割を単一のマイクロ波システムで担える点で、将来の定常炉運転において他の電流駆動手段と置きがたい位置を占めている。