EMC3-EIRENE

EMC3-EIRENEは、磁場閉じ込め核融合装置のプラズマ縁（エッジ）領域を三次元的に解析するために開発された結合シミュレーションコードである。プラズマの流体振る舞いをモンテカルロ法で解くEMC3と、中性粒子の輸送をモンテカルロ法で解くEIRENEを相互に結合したものであり、トカマクとヘリカル装置の両方に広く適用されている。エッジプラズマの輸送、ダイバータ熱負荷、不純物輸送といった、磁気閉じ込め核融合の排気・熱負荷制御という中心的課題を扱う上で、標準的な三次元解析ツールの一つとなっている。図に、W7-X（Wendelstein 7-X）の内部構造のうちEMC3-EIRENEのモデル化に取り込まれたものを内側から見た様子を示す。ダイバータターゲット、バッフル、ポンプ吸気口、第一壁など、プラズマと接する面がどのように計算領域に組み込まれているかが分かる。

EMC3のプラズマモデルとEIRENEの中性粒子モンテカルロ

EMC3は、ブラギンスキー方程式系（粒子・運動量・エネルギーの保存則）を、モンテカルロ法に基づく確率論的手法で解くプラズマ輸送コードである。磁力線に沿った平行輸送は流体的に、磁力線を横切る垂直輸送は異常輸送（拡散係数D⊥と熱伝導率χ⊥で表現される）として扱われる。これらの垂直輸送係数は第一原理から決まるものではなく、ミッドプレーンの往復プローブなどで測定された電子密度・温度分布へのフィッティングによって実験ごとに定めるのが標準的な手順であり、例えばEASTの二重極限配置への適用では、D⊥ = 0.4 m²/s、χ⊥ = 2 m²/sとすることでミッドプレーンのプローブ分布と良い一致が得られたと報告されている。

EIRENEは中性水素原子や分子、さらには不純物ガスの輸送をボルツマン方程式に基づいて解くモンテカルロコードであり、イオン化、再結合、電荷交換、壁での反射・再結合といったプラズマ・壁相互作用過程を内包する。EMC3がプラズマ側のソース項（イオン化による粒子・エネルギーの吸収など）を必要とし、EIRENEがプラズマからのイオン化・再結合による中性粒子の生成・消滅を必要とするため、両者は交互に繰り返し計算を行うことで収束解を得る。この結合により、プラズマと中性粒子の空間分布が互いに自己無撞着に決定される。図は、W7-Xのダイバータ近傍における水素原子密度の計算結果で、付着状態と脱着状態を比較したものである。付着状態ではターゲット近くで中性密度が高く急激に減衰するのに対し、脱着状態ではより緩やかな空間分布となる。このように、プラズマ状態の変化が中性粒子の空間分布そのものを変える様子を、コードは直接描像として与える。

計算格子と磁気配置：軸対称から確率的エッジまで

EMC3-EIRENEの大きな特徴は、磁場配置を真の三次元空間で再構成できる点にある。軸対称トカマクのダイバータ配置はもとより、共鳴磁場摂動（RMP）付加による確率的磁場層、ヘリカル装置の島ダイバータ、スノーフレークやX-ダイバータといった先進的ダイバータ配置まで、幅広い磁気幾何に対応する。NSTX球状トカマクへの適用では、内側と外側の分離面の距離がミッドプレーンでの熱流束幅より小さい場合に対応するため、非連結二重極限用の新しい格子が開発された。また、RMP付加時には分離面多様体によって形成されるらせん状のローブ構造が現れ、そのローブがダイバータと交差することでターゲット上に縞状の熱流束フットプリントが形成されることが、真空近似の磁場解析と結合シミュレーションによって示された。

格子構成の実際を、CFETRの計算メッシュ断面の模式図に示す。真空容器、第一壁、ダイバータターゲットがそれぞれ異なる線種で示され、分離面の内側から壁に至るまでの領域が計算領域として覆われている。

W7-Xの起動時リミッタ配置への適用では、ポロイダル・トロイダルに局在したリミッタによって、異なる接続長を持つ三種類の磁束管からなる三次元らせん状のスクレイプオフ層（SOL）が形成されることが示された。この配置では接続長Lcが平行損失チャネルのスケール長として輸送を支配し、プラズマ圧力にLcに応じた明確な変調が現れる。また、らせん状磁束管内では逆向きに流れる音速プラズマ流が生じる。このように、磁気配置の三次元性がそのままプラズマの空間構造に反映されるのが、本コードの適用領域の本質である。

応用：熱負荷、不純物シード、ダイバータ保持

EMC3-EIRENEの主要な応用分野は、ダイバータ熱負荷の評価と緩和である。次世代装置（CFETR、ITER、DEMO）では、スクレイプオフ層へ流入する熱パワーが大きく、ダイバータターゲットでの熱負荷が10 MW/m²を超える事態が想定される。この対策として不純物ガスシード（窒素、ネオン、アルゴン等の貴ガス注入）による放射損失の増大が広く研究されており、本コードは注入位置のトロイダル局在性がもたらす三次元効果を評価する唯一の手段の一つである。W7-Xのリミッタ起動プラズマでは、窒素・ネオンシードによりピーク熱負荷を40〜50%低減できることが示された。CFETRのX-ダイバータへの適用では、アルゴンを上流位置から注入した場合とストライクポイント近傍から注入した場合とで、熱負荷のトロイダル対称性が逆転するという結果が得られている。すなわち、上流注入ではトロイダルに対称な分布、ストライクポイント注入では非対称な分布となる。これは不純物イオンの空間分布と電離・放射過程の局在性に起因すると解釈されている。ネオンシードに関するCFETRの研究では、単一トロイダル位置からの注入では熱負荷を十分に低減できず、内外ストライクポイント近傍からの複数トロイダル位置への同時注入が必要であることが示された。

もう一つの重要な応用は、タングステンやリチウムといった不純物の輸送と、コアプラズマへの侵入（コア蓄積）の評価である。タングステンダイバータを持つASDEX Upgradeでは、タングステンのダイバータ保持（空間分布）の依存性が調べられ、CFETRではSTRAHLコードとの組み合わせによりコア蓄積の評価が行われた。また、液体リチウムダイバータに向けたリチウム不純物輸送の解析も行われている。これらの研究は、不純物源の位置（壁、ターゲット、局所注入）と磁気配置が、不純物のスクリーンニング効率とコア汚染をどう決めるかを理解する上で不可欠である。

診断との検証と二次元コードとの比較

シミュレーションの信頼性を確保するため、EMC3-EIRENEの結果は多様なエッジ診断と比較検証されている。EASTではラングミュアプローブによる電子密度・温度分布との比較が行われ、ミッドプレーンでは良い一致が得られた一方、下流側では相違が認められ、その原因として平衡フィッティングコードが与える最後の閉じた磁気面と実際の分離面の位置ずれ（外側ミッドプレーンで約7 mm内側）が指摘された。W7-Xでは、H-α測定との関係で第一壁からのリサイクリング粒子束の解析が、また、空間分解真空紫外分光（VUV）によるC3+不純物流速の上下非対称性の解釈が行われ、磁気配置と平行不純物流速の関係が明らかにされた。さらに、合成診断（シミュレーション結果から診断信号を直接計算する手法）の整備も進んでおり、W7-Xを例に挙げて報告されている。

軸対称配置を扱う場合、二次元輸送コードSOLPS5.0との比較も行われる。EASTの二重極限配置における比較では、両コードの結果の整合性と相違点が検討され、EMC3-EIRENEが三次元効果を扱える一方で、計算コストやモデル化の詳細に違いがあることが示されている。分子活性再結合（MAR）の新しい取り扱い手法の開発や、体積再結合過程の実装とITERへの適用など、物理モデルの拡張も継続的に行われており、コードは現在も発展を続けている。