ELMフリー

ELMフリー（ELM-free）とは、トカマクプラズマの高閉じ込めモード（Hモード）運転において、エッジ局在モード（ELM）と呼ばれるエッジの爆発的不安定現象が一切発生しない状態、あるいはそのような運転領域を指す。Hモードではプラズマ端に輸送障壁が形成され、温度・密度の急峻な勾配（ペデスタル）が生じるが、この勾配が限界に達するとELMが周期的にエネルギーと粒子を吐き出す。ELMフリーの状態では、この急峻なペデスタルと良好な閉じ込めを保ちながら、ELMによる熱負荷を完全に回避できる。図は1回の放電中に起こる3つの閉じ込め状態の遷移を示したものである。

図の上段は水素スペクトル線Dαの強度、下段はミラノフコイルによる磁気信号の時間変化で、緑色のLモードから黄色のELMフリーHモードを経て、赤色のELMy Hモードへ移行すると、Dαと磁気信号にELMに対応する鋭いスパイクが周期的に現れる。ELMフリーの状態ではこれらのスパイクが完全に欠落していることが、この現象の定義そのものを可視化している。

なぜELMを避けねばならないか

Hモードのエッジ勾配は、圧力勾配とエッジ電流（ブートストラップ電流）の駆動するピーリング・バルーニング不安定性によって制限される。この限界を超えると発生する大型のタイプI ELMでは、蓄積エネルギーの最大3割程度が一挙に放出され、ダイバータ板に瞬間的な熱負荷が集中する。現在の実験装置では許容できても、ITER以降の炉規模装置では、この熱負荷がダイバータ表面の侵食や溶融を引き起こすのに十分な大きさに達すると予測されており、ELMの緩和ないし完全な抑制は炉設計上の必須要件とみなされている。同時に、ELM対策のためにペデスタル圧力を大きく下げてしまえばHモードの閉じ込め性能という利点を失うため、「ELMなしで高いペデスタルを保つ」ことが目標となる。

エッジ安定性は、正規化されたペデスタル圧力勾配を横軸、エッジ電流密度を縦軸とする安定性ダイアグラム上で理解される。低nのピーリング不安定領域、中〜高nのバルーニング不安定領域、そして両者が結合した領域が描かれ、タイプI ELMを起こす標準的なHモードの運転点はこの不安定境界の近傍に位置する。プラズマ形状の変更やE×B回転の制御などによって輸送とペデスタル構造を変えれば、境界そのものが動き、タイプI ELMを起こさずに済む運転窓が開ける。

図(a)にはタイプI ELMy Hモード（黄色）に対し、QHモード（緑）とIモード（マゼンタ）の運転点が、図(b)にはタイプII ELM（シアン）とグラスィーELM（オレンジ）の運転点が、いずれも安定領域内の異なる位置に描かれている。自然にELMフリーとなる領域や小ELM領域は、タイプI ELMの運転点とは異なる安定性マップ上の位置を占めることが分かる。

自然にELMフリーとなる領域

最も研究が進んだ例の一つがQHモード（静穏Hモード）である。DIII-Dで発見され、ASDEX Upgradeでも同様の状態が得られた。反対方向の中性粒子入射などでプラズマ端の回転を強めると、エッジに「エッジ高調波振動（EHO）」と呼ばれる定常的な帯状のMHD振動が現れ、これが飽和したキンク・ピーリングモードとして働いて粒子輸送を担うことで、ペデスタルがタイプI ELMの限界に達する前に定常的な輸送経路が確保される。EHOによる連続的な粒子排出のおかげで密度が蓄積せず、ELMを起こさずにHモードに匹敵するペデスタル圧力と閉じ込めが維持される。高三角率化によりITERレベルのペデスタルベータと衝突頻度パラメータに達した報告もあり、内部輸送障壁と組み合わせた二重障壁の定常高性能運転にも適合する。

**Iモード**は、エッジに粒子輸送障壁が形成されずエネルギー輸送障壁のみができるため、密度の蓄積が起きず原理的にELMを伴わない。EDA Hモードでは、準連続的な準伝搬モード（QCM）が粒子を排出し、ELMなしのHモードが維持される。これらの領域はいずれも「ELMを抑えるのではなく、ELMを起こさずに済む輸送経路をエッジに持つ」点で共通しており、衝突頻度、三角率、q95、ペデスタルベータ、グリーンウォルド密度に対するペデスタル密度の比といった軸で整理した存在領域マップが作られている。マップ上ではQHモードとIモードは互いに補完的なパラメータ領域を占め、ITERの目標運転点（衝突頻度が低く密度比が高い領域）に近づくほど存在窓が狭くなる傾向が示されている。

小ELM領域と形状・壁条件による経路

ELMを完全に消さなくても、個々のELMを小さくすればダイバータへの負荷を許容範囲にできる。タイプII ELMやグラスィーELMは、高ベータ化や強い三角率化によってピーリング・バルーニング安定性ダイアグラム上でより安定な領域へ運転点を移すことで得られ、頻度が高く個々の放出が小さい。これらは「小ELM領域」として自然ELMフリー領域と並ぶ炉候補である。

形状の変更による別の経路が負の三角率（NT）である。X点を磁軸より外側に置くこの形状では、コアの乱流輸送が減って閉じ込めが向上する一方、十分に三角率を負にすると（DIII-Dではδが約−0.15を下回る領域）、エッジの局所磁気せん断が変化してバルーニングモードの「第二安定領域」へのアクセスが閉じ、ELMy Hモードが形成できなくなる。実際、TCVとDIII-Dでは高加熱出力でもELMが発生しないNT放電が実現し、しかも高nバルーニング限界に従いながら実質的なエッジ勾配を維持できるため、これらの状態はLモードではなく「ELMフリーなNTエッジ」として理解すべきだとされる。ただし低アスペクト比の球状トカマクでは第二安定領域の閉鎖だけではELMy Hモードの防止が説明できず、MAST-Uでの初観測は、第二安定領域の閉鎖とELM防止のデコリレーションを示すなど、NTエッジの勾配制限機構には理想MHDバルーニング限界以外の輸送機構も関与することが示唆されている。

壁条件も効く。NSTXではダイバータと第一壁へのリチウム被覆によるリサイクリング低減と不純物（有効イオン電荷Zの増加）に伴う抵抗率の上昇が組み合わさり、理想MHDでは説明できない完全なELM抑制が起きたことが、拡張MHD解析によって示されている。プロファイル変化だけでは不十分で、非理想MHD効果が安定化に寄与する例である。

ITERと炉への射影

自然ELMフリー領域と小ELM領域は、外部コイルによる磁気擾乱やペレットペーシングといった能動的ELM制御（ITERで想定される主経路）と対になる選択肢であり、物理機構そのものが輸送とペデスタル制御を担う点で炉運転に適した性質を持つ。ただし各領域の存在条件は衝突頻度や密度比などに強く依存し、ITERの目標運転点（低衝突頻度・高密度比）でこれらの領域にアクセスできるかは、存在領域マップの外挿に依存する未解決の問題である。また、ELMフリー状態の持続性、コア性能との両立、不純物シーディングによる放射冷却との統合など、炉シナリオへの統合には解決すべき課題が残る。運転中の閉じ込め状態（Lモード、ELMフリーHモード、ELMy Hモード）を機械学習で自動識別する試みが始まっており、ELMフリー状態のリアルタイム監視・制御は将来装置の運転知能化の一部として進みつつある。