ELMy Hモード

ELMy Hモードとは、トカマクプラズマの高閉じ込めモード（Hモード）のうち、縁局在モード（ELM: edge localized mode）と呼ばれる周期的な縁の崩壊現象を伴う状態を指す。Hモードは1982年にASDEXトカマクで発見され、加熱入力が閾値を超えるとプラズマ縁に輸送障壁（ペデスタル）が形成され、閉じ込め性能がLモード比で大幅に向上する。しかしペデスタルの急峻な圧力勾配と縁電流密度は理想磁気流体（MHD）不安定性を駆動し、ELMという繰り返し崩壊を引き起こす。ELMを伴うHモード、すなわちELMy HモードはITERをはじめ多くの装置で標準運転形態とされており、良好な閉じ込めと縁の制御という二つの側面を持つ。ELMの放出自体はスクレイプオフ層を通じてダイバータに到達するため、ELMy Hモードの研究は閉じ込め物理と炉の熱負荷問題の接点でもある。

Hモードとエッジペデスタル

Hモードへの遷移は、加熱パワーがL–H遷移閾値（装置寸法・磁場・密度に依存する経験則で記述される）を超えたときに起こる。遷移が起きると縁の乱流輸送が抑制され、密度と温度の半径方向プロファイルの最外殻部に幅数センチメートル程度の急峻な「台地」、すなわちペデスタルが形成される。ペデスタルの存在が中心部の閉じ込めを改善するのは、縁の圧力が上がることで中心と縁の圧力差が確保され、全体の蓄積エネルギーが増えるためである。ELMy Hモードは、このペデスタルがELMの崩壊と再構築を繰り返す準定常状態として維持される。

ペデスタルの構造は、電子温度・電子密度の測定を修正タンジュント関数などでフィットし、ペデスタル高さ、幅、勾配スケール長で特徴づけるのが標準的な手法である。ペデスタルの高さと幅はELM周期の間にも変化する。例えばEASTでのトムソン散乱測定では、プラズマ電流が高い条件ではペデスタル高さが次のELM発生まで増加し続けるのに対し、低い条件ではELM周期の最初の3割ほどで飽和することが示された。一方ペデスタル幅はELM周期の前半でだけ増大し、その後ほぼ一定となる。またペデスタル圧力幅はポロイダルベータと良い相関を持ち、その比例係数はプラズマ電流によらずほぼ一定であることが報告されている。このようにペデスタルの時間発展はELMの発生条件を決めるため、ペデスタル研究はELMy Hモード物理の中心課題となっている。

縁と中心は独立ではなく、ペデスタル条件がコア輸送を通じて全体性能を規定する。JETなどでの同位体（水素・重水素・三重水素）実験では、重い主イオンほどペデスタル頂上圧力が高くなるという質量数依存性が確認されており、コアの輸送特性を比較するにはペデスタル条件を揃える操作（加熱パワー、ガス投入、三角形状の調整）が必要となる。この縁・コア結合は、ELMy Hモードの閉じ込め予測を積分モデリング（コア・縁・スクレイプオフ層・ダイバータを一体的に扱うモデル）で行う必要がある理由でもある。

運転状態の自動識別の観点からは、Lモード、ELMフリーHモード、ELMy Hモードの区別はリアルタイムプラズマ制御の基礎となる。ELMy HモードではDα輝線にELMに対応する鋭いスパイクが周期的に重なり、ELMフリーHモードとは明確に区別できる。近年はスケーリング則の物理パラメータを入力とするマルチタスク学習ニューラルネットワークにより、L–H遷移とELM検出を一貫して行う手法が開発されている。

図はEASTでの放電の時間履歴であり、上からプラズマ電流、加熱パワー、蓄積エネルギー、密度、Dα輝線などが示され、最下段のラベル行で[0]Lモード、[1]ELMフリーHモード、[2]ELMy Hモードの各区間が機械学習によって自動分類されている。L–H遷移の後、Dα信号にELMスパイクが現れる区間がELMy Hモードに対応し、その後の状態変化までの推移が一望できる。

ELMサイクルとELMの分類

ELMはペデスタルが理想ピーリング・バローニング（P–B）不安定性の安定性限界に達したときに起こると理解されている。バローニングモードは圧力勾配と磁力線曲率によって駆動され、ピーリングモードは縁の局所電流密度によって駆動される。ELMクラッシュの際、P–Bモードは磁力線に沿ったフィラメント状構造（ストランド）へと発達し、ペデスタルのエネルギーと粒子の一部をスクレイプオフ層へ放出する。EASTでの真空紫外撮像による観測では、フィラメントのポロイダルモード間隔とピッチ角から支配的なトロイダルモード数を求めることができ、クラッシュの進行とともにモード数が変化することが定量的に示された。一般に低いモード数はより広いフィラメント構造に対応し、大きなELMをもたらす傾向がある。

ELMはそのエネルギー放出規模によって分類される。最も研究されてきたのはタイプI ELMで、ペデスタル圧力勾配がバローニング安定性限界を超えて発生する大型のELMであり、閉じ込めは良いが放出エネルギーが大きい。タイプIII ELMはより小規模で高頻度のELMであり、ペデスタルがより低い安定性限界（例えば抵抗性安定性の影響で低下した限界）に達したときに発生する。タイプIII ELMは放出が穏やかでダイバータ熱負荷に優しい一方、ペデスタルが低いため閉じ込めはタイプIに劣る。この閉じ込めと熱負荷のトレードオフが、後述の運転シナリオ設計の中心課題である。

ELMサイクルの典型的な描像は次の通りである。ELMクラッシュでペデスタルの密度・温度が急落した後、加熱による粒子・熱流入でペデスタルが再構築され、圧力勾配と縁電流が再び安定性限界に達して次のELMが起こる。このサイクルはミリ秒から数十ミリ秒のオーダーで繰り返される。JETでの高分解能トムソン散乱測定によれば、ELM後200マイクロ秒以内にスクレイプオフ層の密度・温度にフィラメント構造が観測され、その後数ミリ秒にわたりSOL密度が高い状態が続く。またELMによるエネルギー損失は対流成分と伝導成分に分けて定量化されており、対流損失はペデスタル衝突性によらずペデスタル蓄積エネルギーの約5%程度でほぼ一定であるのに対し、伝導損失は衝突性の低下とともに約20%から5%へ強く減少する。ELMの擾乱がペデスタルに及ぶ範囲は密度と温度で共通しており、小半径の約2割程度に達する。

図はEASTの真空紫外撮像系で捉えたELMクラッシュ時のフィラメント構造であり、上段に発光強度の時間履歴、下段にクラッシュ後の各時刻での撮像画像（差分処理後）を並べている。時間とともにフィラメントの空間構造、すなわちモード間隔とピッチ角が変化していく様子が読み取れる。

ペデスタル安定性と閉じ込め

ELMy Hモードの性能はペデスタルの安定性限界によって実質的に上限を定められる。ペデスタル圧力勾配を表す無次元パラメータαと縁電流密度が、ピーリング・バローニング安定性境界を形成し、この境界に達するたびにタイプI ELMが発生する。したがってペデスタルの高さ（圧力）は「どれだけ急に圧力を上げられるか」と「いつ不安定になるか」の競争で決まる。安定性解析は実験で測定したペデスタルプロファイルを入力として行われ、観測されたELMのタイプ分け（例えばTCVのオーミック加熱HモードでのタイプIII同定）が検証されてきた。

ペデスタル安定性限界に達するまでのELM周期中の再構築過程は、閉じ込めモデルの検証対象としても重要である。理論に基づくペデスタルモデルでは、臨界α（αcrit）の値がELM周期中の密度・温度の回復軌道と次のELMまでの時間を決める。臨界値が高いほどペデスタルは高く成長し、ELM周期は長くなるが、その分クラッシュ時に放出されるエネルギーも大きくなる。このトレードオフは、ペデスタル安定性モデルを用いた予測的輸送モデリング（バローニング・ピーリングモデルを組み込んだもの）や、工学パラメータのみからペデスタルと全体閉じ込めを予測する積分モデルの検証（Alcator C-ModやJETでの検証）において中心的な役割を果たしている。

図はペデスタルモデル計算によるELM周期中の密度と温度の時間発展であり、臨界αの値（1.2、2.4、1.6）を変えた三つのケースを比較している。臨界αが高いほどELM間のペデスタル密度・温度の回復が大きく、ELM周期が長くなることが分かる。

閉じ込め性能自体は、大規模実験データベースに基づく経験的スケーリング則と、理論に基づく輸送モデルの両方で評価される。ELMy Hモードの閉じ込めは加熱パワーの増加に対して劣化する（パワー劣化）傾向があり、ペデスタルとコアの輸送（例えばイオン温度勾配駆動乱流）の両方が関与する。またペデスタルの磁気乱流の測定（ファラデー効果偏光計によるDIII-Dでの測定や、ジャイロキネティックシミュレーションによる乱流強化とペデスタル劣化の関連の解析）は、理想MHD安定性だけでは説明できないペデスタル輸送の寄与を示唆している。同位体質量数の依存性については、ペデスタルでは重い主イオンほど高いペデスタル圧力が得られる一方、コアでは条件により質量依存が弱い場合と強い場合があり、単一のスケーリングでは記述できないことが明らかになっている。

パワー排出とダイバータ熱負荷

ELMy Hモードの最大の実用上の課題は、ELMが放出するエネルギーがダイバータと第一壁に与える瞬間熱負荷である。タイプI ELMの放出は、現在の装置では許容できても、プラズマ電流の大きい将来装置（例えばITERの15 MA基準運転）ではタングステンモノブロック表面の溶融や亀裂を引き起こすと予測されている。このため、ELMによる熱負荷を許容範囲に抑えながら良好な閉じ込めを保つ運転の開発が不可欠である。

熱負荷の緩和には大きく分けて二つのアプローチがある。第一はELMそのものの制御であり、ELM頻度を人為的に上げて1回あたりの放出エネルギーを下げる方法である。分離放出エネルギーは分離パワー一定の下でELM頻度にほぼ反比例するため、頻度を上げれば熱負荷のピークを下げられる。ペレットペーシング（ペレット投入でELMを誘発する）、プラズマの垂直振動、そして共振磁気擾動（RMP）コイルによる小型・高頻度ELMの誘発またはELMの完全・部分抑制がこれに当たる。第二のアプローチは不純物シード（例えば窒素やアルゴンの注入）による放射冷却である。JETでの窒素シードタイプIII ELM運転では、過渡熱負荷と定常熱流束の両方が許容範囲に抑えられ、プラズマ純度やMHD挙動との両立も調べられた。アルゴンシード放電での放射パターンと不純物輸送の研究も同様の方向性を持つ。燃料ガス投入の増加もダイバータ熱負荷の緩和に寄与するが、ペデスタルとコアの条件を同時に変えるため、閉じ込めとの整合を考える必要がある。

運転シナリオとITERへの外挿

ELMy HモードはITERの基準運転モードであり、その運転シナリオの確立が最重要課題の一つである。ITERの予備融合出力運転（PFPO）では、水素・ヘリウムプラズマでELM緩和システム（RMPコイル、ペレットペーシング、垂直振動）の試験を行うため、安定なタイプI ELMy Hモードへの到達と維持が要件となる。コア・縁・スクレイプオフ層・ダイバータを一体的に扱う積分モデリング（JINTRACなど）により、20 MW級の電子サイクロトロン加熱でタイプI ELMy Hモードに到達できるか、L–H閾値をヘリウム混入などで下げられるかが評価されている。この種の予測では、ペデスタルのαがタイプI ELMの臨界値に達するまでHモードが維持されるかが判定基準となる。

タイプIII ELMを利用するシナリオもITER候補として検討されてきた。JETの大規模データベースに基づく外挿では、放射冷却されたタイプIII ELMy Hモードの過渡熱負荷はITERで許容可能であり、閉じ込めのイオン・ジャイロ半径スケーリングはジャイロ・ボーム型に近く、衝突性スケーリングからは17 MA・Q=10シナリオで十分な閉じ込め、15 MAではぎりぎり許容という評価が得られている。またタイプIII ELM縁を持つハイブリッドシナリオは、中心電流プロファイルを変更せずに縁条件を改善でき、定常状態のQ=5運転との両立性が示された。JT-60Uでは高ベータN・高ベータpのELMy Hモードや内部輸送障壁と組み合わせた長パルス運転など、先進シナリオの縁としてELMy Hモードが用いられ、ASDEX Upgradeでも閉じ込め・安定性・パワー排出の最適化が進められた。

このようにELMy Hモードは、良好な閉じ込めを提供する標準運転形態であると同時に、ELMによる熱負荷という本質的な制約を抱える現象である。ペデスタル安定性、ELM物理、コア・縁・ダイバータの結合、そしてELM緩和技術の統合的理解が、将来炉の運転設計を左右する研究領域であり続けている。