ELM制御

ELM制御とは、高閉じ込めモード（Hモード）プラズマの縁で周期的に発生するエッジ局在モード（ELM）の爆発的な崩壊を、能動的に緩和または抑制する技術である。Hモードはプラズマ境界に鋭い圧力勾配と電流密度（いわゆるペデスタル）を形成することで高い閉じ込め性能を実現するが、この勾配が不安定化の源でもある。ELM制御は、ペデスタルの安定性を操作してELMを高頻度・小振幅化するか、あるいは崩壊そのものを完全に抑えることを目指すものであり、ITERをはじめとする次世代トカマクの運転に不可欠な技術と位置づけられている。

なぜELMを制御しなければならないか

Hモードプラズマでは、エッジ輸送障壁によって圧力と電流が急峻に蓄積され、やがてピーリング・バルーニング型の不安定モードが閾値を超えると、ペデスタルのエネルギーと粒子が一斉にダイバータへ放出される。これがELM崩壊である。放出される熱負荷は瞬間的に極めて大きく、ITERのような大型装置ではダイバータ表面への過渡熱負荷が材料の許容限界（約20 MW/m²）を超えると予測されており、タングステンダイバータの溶融や深刻な侵食を招く。したがって大型のELMをそのまま放置することは炉の部材寿命と運転可用性に直結する問題であり、ELMを能動的に制御するか、ELMなしまたは小振幅のHモードを選択することが炉運転の前提となる。

一方で、ELMは不純物排出の手段としても機能するため、単にELMを消せばよいわけではない。制御の目標は、ELMによる過渡熱負荷を材料限界以下に抑えつつ、定常的なダイバータ熱負荷の処理と不純物排気を両立させることにある。このため制御手法の評価は、ELMの振幅と頻度だけでなく、ダイバータ熱流、コアの不純物蓄積、高速粒子の閉じ込めといった多方面との整合性で判断される。

共鳴磁気擾乱（RMP）

現在、最も有力とされる手法が共鳴磁気擾乱（Resonant Magnetic Perturbation, RMP）の印加である。これは、プラズマ外部の鞍型コイルによってトロイダル対称性を破る小さな三次元磁場を加え、その磁場のトロイダルモード数nがプラズマ縁の安全因子と共鳴するように調整するものである。RMPは磁力線を三次元的に歪ませ、ペデスタル領域に磁気島や確率的磁場層を形成して輸送を変化させる。緩和（mitigation）の場合は、磁場の歪みが局所的な圧力勾配を増大させてバルーニングモードを不安定化し、ELMを高頻度・低エネルギー化する。抑制（suppression）の場合は、RMPが誘起する輸送によってペデスタル圧力をピーリング・バルーニング不安定の閾値以下に保つことで、ELM崩壊そのものを防ぐ。

RMPによるELM抑制はDIII-Dで初めて実証され、その後MAST、ASDEX Upgrade、KSTAR、EASTなど主要なトロイダル装置で緩和ないし抑制が確認されてきた。ただし、真空磁場モデルで予測される共鳴層の幅（例えばチリコフ（Chirikov）パラメータが1を超える領域）だけでは抑制の成否を説明できず、プラズマ応答の役割が重要である。プラズマは回転によって共鳴成分を遮蔽する一方、非共鳴成分を増幅し、特にペデスタル近傍の「ピーリング応答」がELM制御の指標として相関を持つことが知られている。実際、X点におけるプラズマ変位の大きさがELM緩和の閾値と相関し、異なる装置間で同程度の臨界値（約1.5 mm）が報告されており、この種の経験的指標が新装置のコイル設計にも用いられている。

RMPの効果はコイル配置の細部に強く依存する。上下二列のコイルのうちどちらを用いるかによるELM抑制効果の非対称性は、X点との幾何学的距離だけでは説明できず、プラズマ応答とエッジ安全因子q95に依存することがKSTARでのITER類似構成実験で示されている。また、コイル電流の位相（ポロイダルスペクトル）を調整して共鳴場をエッジに局在させることで、ELM抑制を維持しながらコアでのロックモード発や高速粒子損失といった副作用を低減できることが、KSTARやDIII-Dで示されている。

ELM制御コイル：ハードウェアと設計

RMPを印加するためのELM制御コイルは、真空容器内面に設置される鞍型コイル列であり、通常は上下中の三列（または二列）をトロイダル方向に複数配置する。各列のコイル電流の振幅と位相を独立に制御することで、所望のトロイダル・ポロイダルモード数スペクトルを合成する。ITERでは三列のELM制御コイルの設置が計画されており、n=3の回転擾乱を発生できる設計となっている。コイル設計では、真空容器内への搭載制約、ポートやブランケットなど他の機器との干渉、ELM制御と誤差場補正の二重の役割、そして金属壁環境での高温動作（例えば350 °C級の運転環境への対応）といった工学的要件を満たす必要がある。

図は(a)コイルを配置したポロイダル断面におけるプラズマ境界形状（R=2.19 mとR=2.14 mの二つの平衡、およびコイル位置）と、(b)ELM制御コイルの三次元予備設計を示す。コイルはプラズマ縁の共鳴面に近い位置に置かれるほど効率的に共鳴磁場を注入できるが、真空容器やポート構造との整合が配置を制約する。実際、コイル列のポロイダル位置の違いがELM抑制に必要なコイル電流に大きく影響することが、真空磁場モデルを用いた系統的なレイアウト評価で示されている。図に示すような複数の配置候補を比較し、必要電流と副作用の許容範囲から最適配置を選定する手法が、DEMO級装置のコイル概念設計で用いられている。

設計評価には、計算負荷の小さい真空磁場モデルと、回転による遮蔽を含む線形プラズマ応答モデル（例えばMARS-Fコード）が使い分けられる。真空モデルは多様なコイル配置や電流波形を網羅的に掃引するのに適し、プラズマ応答計算は共鳴成分の遮蔽と非共鳴成分の増幅を評価して最終設計を絞り込む。なお、コイル電流を整数nの正弦波ではなく非整数nの波形とすることで、必要なコイル電流を副作用の許容範囲内で低減できる可能性がJA DEMOの検討で示されている。

ペレットペーシングとその他の手法

RMP以外の手法として最も実績があるのがペレットペーシングである。これは凍結水素ペレットを高頻度で注入し、意図的に小さなELMを誘発してペデスタルのエネルギー蓄積をこまめに放出させるもので、ITERでは燃料投入を兼ねたELM制御法として採用されている。ASDEX UpgradeとJETでの実験により、ELMなしのHモード期間やL→H遷移直後においてもペレット注入が確実にELMを誘発すること、また安定性境界から離れた条件でもELM誘発が起こることが示された。さらにITERの非核融合段階を模擬し、HペレットをHeまたはHプラズマに注入する同位体構成でもELM誘発が確認されている。ただし、炭素壁から全金属壁への移行後には、期待される条件下でペレットによるELM制御が成立しない例も見出されており、誘発機関の物理的理解がITER予測の課題として残されている。

その他、不純物ガスシードや不純物粉末注入、超音速分子ビーム注入なども提案・研究されている。また、RMPを用いずにELMなしまたは小振幅ELMのHモード（クワイエットHモード、グラスィーELM領域など）を選択する運転も炉候補として検討されており、これらの成立条件はペデスタル電子衝突性によって分類される。トロイダル磁場変調や高速ダイバータ掃引といった、ELMの熱パルスを時間・空間的に分散させる発想の手法も提案されている。

ダイバータ熱負荷および炉運転との統合

ELM制御は単独の課題ではなく、炉の総合的な運転シナリオの中で他の要求と統合されなければならない。第一に、ELM制御とダイバータ脱着（detachment）の両立がある。高性能運転では定常的なダイバータ熱負荷も低減が必要であり、不純物シードによる放射脱着が用いられるが、脱着はRMPによるELM抑制と干渉しうる。KSTARではITER類似の三列RMP構成下でアルゴンシードによる脱着とELM抑制の同時達成が実証され、アルゴンが広い温度域で高い放射効率を持ちかつ化学的に不活性である点から有望なシード種とされている。RMP印加自体がダイバータ放射を増強して脱着に有利に働くとの観察もある。

第二に、高速粒子の閉じ込めとの整合である。三次元磁場はアルファ粒子や中性粒子ビーム由来の高速イオンの損失を増大させ、プラズマ対向壁の過熱を招く。超伝導トカマクKSTARでは、RMP印加中の高速イオン損失によるポロイダルリミタの過熱が放電停止の要因となった例があり、ELM抑制と高速粒子閉じ込めはともにエッジの共鳴層に支配されるため、両者の分離は容易でない。コイル電流の振幅と位相の自由度を用いて共鳴場をエッジに局在させ、ELM抑制を保ちつつコア共鳴場を低減する最適化が進められている。

第三に、燃料投入・タングステン管理との統合である。ITERの統合シミュレーションでは、ELM緩和が不要となる運転領域（ペデスタル密度やプラズマ電流の条件）が経験的スケーリングに基づいて導出されるとともに、ペレットペーシングによるELM制御下でのタングステン源制御、放射、脱着制御の整合性が評価されている。ELM後のタングステン過渡放射がELMエネルギー損失の上限を厳しく制約する一方、ELM頻度を上げすぎるとコアへのタングステン蓄積が進むという、両方向からの制約が明らかにされている。このようにELM制御方式の選定は、熱負荷・不純物・高速粒子・コイル工学という複数の制約の交点で決まる問題であり、ITERからDEMOへの展開に向けて、コイル設計の柔軟性（一部コイル故障時の運転継続性を含む）と運転シナリオ全体の最適化が並行して研究されている。