高エネルギーイオン

高エネルギーイオン（高速イオン、fast ion）とは、磁気閉込めプラズマ中で熱運動のエネルギー（数keV程度）をはるかに超えるエネルギーを持つイオンの集団である。核融合炉では重水素－三重水素融合反応で生まれる3.5 MeVのアルファ粒子がその代表であり、現在の実験装置では中性粒子入射（NBI）や高周波加熱（ICRFなど）によって生成される数十keVからMeV級のイオンがこれに当たる。高エネルギーイオンは減速しながら背景プラズマを加熱し、電流駆動や乱流抑制にも寄与する一方、プラズマ中の磁気流体力学（MHD）不安定モードを駆動したり、閉込めを失って第一壁に局所的な熱負荷を与えたりする。したがって、その生成・軌道・輸送・損失を理解し測定することは、ITER以降の炉心プラズマ設計の中心課題の一つである。

磁気閉込めにおける高エネルギーイオンの供給源と役割

高エネルギーイオンの主な供給源は三つある。第一にNBIであり、装置壁面に向けて加速した中性粒子を入射し、電離によって高速イオン化する。入射エネルギーは装置ごとに異なり、中型トカマクで数十keV、JETで約110 keV、将来のDTTでは負イオン源NBIが計画されている。第二にICRF加熱であり、共鳴するイオン種を高周波電場で加速して高エネルギー尾部を形成する。第三に融合反応そのものであり、D-T反応で生まれるアルファ粒子は3.5 MeVという誕生エネルギーを持ち、熱プラズマの温度（数keV）よりはるかに高い。燃焼プラズマでは複数種の高エネルギーイオン（アルファ粒子、ビームイオン、ICRF加速イオン）が同時に存在し、それぞれが異なる位相空間分布を持つため、不安定性との相互作用も種ごとに扱う必要がある。

高エネルギーイオンの役割は両義的である。好ましい側面としては、衝突によって熱イオン・電子にエネルギーを渡すプラズマ加熱、並進電流の駆動、そしてゾーナフロー生成を通じた乱流抑制が挙げられる。炉心の自己加熱はアルファ粒子がこの役割を果たすことで初めて成立する。一方、好ましくない側面としては、アルフベン固有モードやフィッシュボーンなどのMHD不安定モードを駆動すること、そしてモードとの共鳴相互作用で径方向に輸送されて壁面に集中熱負荷を生むことがある。すなわち高エネルギーイオンは「炉を支える熱源」であると同時に「閉込めを壊す摂動源」であり、その二面性のバランスが燃焼プラズマの安定性を左右する。

単一粒子軌道と閉込め

高エネルギーイオンの運動は、熱イオンと比べてラーマー半径が大きく、磁場の空間変化を「見て」しまう点が本質的である。そのため粒子は磁力線に沿った螺旋運動に加えて、磁場勾配と曲率によるドリフト（垂直方向ドリフト）を持つ。軌道は大別して、磁力線に沿って周回する通過軌道（共流・逆流）、磁場の弱い側で反射される捕獲軌道（バナナ軌道）、そして反射点がプラズマ中心近くにあり断面内をゆっくり漂う「ポテト軌道」などに分類される。どの軌道に属するかは、エネルギー、磁気モーメント（ピッチ角）、そして粒子の生成位置によって決まる。図に示した位相空間の分類では、一定エネルギー面上で磁気モーメントと正準トロイダル運動量を座標とし、通過・捕獲・損失領域が色分けされている。損失領域に属する粒子は、生成された時点で閉込め領域の外側の軌道を持ち、最初の一周で直接壁に当たる「即時損失」となる。

トカマクでは軸対称性により、ドリフトの軌道面が磁気面と一致するため、高エネルギーイオンは原理的に良く閉じ込められる。一方、ヘリカル装置（ステラレータ）は本質的に非軸対称であり、捕獲粒子が径方向ドリフトを平均化できないと損失が生じる。Wendelstein 7-Xでは、磁場強度の等高線がポロイダル方向に閉じる「準等ダイナミック」性質を、高ベータ・高ミラー配置で実現するよう磁場を最適化しており、トロイダル方向に捕獲された粒子がポロイダル歳差運動によって径方向ドリフトを相殺する。ただしこの性質は磁気軸近傍で最も良く成立し、外側では粒子が衝突なしに捕獲・脱捕獲を繰り返して段階的に外へ漂うことがある。また球状トカマクでは磁場の曲率が強く、高エネルギーイオンの非断熱性（磁気モーメント保存の破れ）が顕在化しやすい。プラズマ形状も閉込めに影響し、負の三角形状（NT）が熱閉込めを改善する一方で高エネルギーイオン閉込めを損なわないかは、TCVなどで活発に検証されている課題である。

波動・粒子相互作用：アルフベン固有モード、フィッシュボーン、MHD誘起輸送

高エネルギーイオンが十分な圧力を持つと、それ自体が波動の駆動源となる。最も重要なのはアルフベン固有モード（AE）である。アルフベン波はイオンのラーマー周波数よりはるかに低い周波数を持つ磁場擾乱であり、トロイダル系では環方向のモード数nとポロイダル方向のモード数mの異なる波がカップリングして、連続スペクトルの隙間に定在波として存在する固有モード（TAE、逆せん断AEなど）が生じる。高エネルギーイオンの軌道周回周波数やバウンス周波数がこの波の位相速度と共鳴すると、エネルギーが粒子から波へ移り、モードが成長する。図に示した例では、コアからエッジまで広がる大域的なn=3のアルフベン固有モードの径方向構造が、m=6,7のポロイダル高調波が支配的である様子と、それに伴う径方向磁場擾乱の分布として計算されている。

モードが成長すると、共鳴する高エネルギーイオンは位相空間内で径方向に輸送される。この輸送は拡散的というより、モードの位相空間構造に沿った選択的な「キック」として起こる。実験的には、DIII-Dで強いTAE活動が初期の高エネルギーイオン集団の半数以上を輸送・損失させた例が知られ、JETではガンマ線・中性子測定がTAEによる閉込め劣化を捉え、LHDではTAEバースト時に高エネルギーイオン軌道のクランプ状構造が観測された。モードは一般に飽和振幅に達して安定化するが、その飽和状態は「大域的な限界安定性」の概念で整理され、高エネルギーイオン分布がモード駆動と減衰の釣り合い点に保たれる。フィッシュボーン（内部キンクモードの高エネルギーイオン駆動振動）やティアリングモード、ELM、飽和内部モードなども高エネルギーイオンの径方向輸送を引き起こし得る。数値的には、時間発展する分布関数に対してモード誘起輸送を低計算コストで組み込む「キックモデル」が輸送コードTRANSPに実装され、多種の高エネルギーイオン種を同時に扱えるよう拡張されている。

高エネルギーイオンの損失と壁負荷

損失にはいくつかの経路がある。即時損失は前述の通り生成直後の軌道で決まる。それ以外の主要経路は、(1) MHD不安定モードとの共鳴による径方向輸送の結果としての損失、(2) トロイダルリップル（コイルの離散性による磁場の周期的変化）との共鳴損失、(3) エッジ局在モード（ELM）や磁場擾乱によるエッジでの輸送である。リップル損失は過去の装置で重要な損失経路であったが、大型装置の設計では小さく抑えられる。例えばDTTでは510 keVのNBIイオンのうちリップル損失は約0.08%に過ぎないと評価されている。一方、TAEなどアルフベン系モードによる損失は局在的で、壁の特定領域に熱負荷を集中させる危険がある。損失した高エネルギーイオンが小面積に集中して入射すると、プラズマ対向壁の局所過熱や不純物スパッタリングの増大を招くため、将来装置では損失の抑制と制御が運転上の必須要件となる。実際、DIII-Dではビーム電圧の実時間変調によってTAE誘起損失を緩和する手法が示されている。損失の評価は、損失粒子のエネルギー・ピッチ・入射位置を検出器で測定し、軌道追跡シミュレーションで壁負荷分布を再構成する形で行われる。

診断と速度空間測定

高エネルギーイオンは直接撮影できないため、その分布は間接的な診断の組み合わせで測定される。代表的な手法は次の通りである。FIDA（高速イオンDα分光）は、入射中性粒子と高速イオンの電荷交換で生じた高速中性子が放つドップラーシフトしたDα光を分光し、視線とビームの交点における速度分解・空間分解測定を与える。集団トムソン散乱（CTS）は、入射したミリ波の散乱スペクトルからイオン速度分布を直接測定する。中性子放出分光（NES）はD-T反応の14 MeV中性子のエネルギーシフトから反応に関与した高速イオンの分布を推定し、ガンマ線分光はICRF加速イオンのエネルギー分布を与える。損失側では、スリットと磁場で損失イオンを分離して検出する高速イオン損失検出器（FILD）が広く用いられ、W7-Xでは壁タイル内に埋め込める小型ファラデーカップ型検出器のアレイが開発され、エネルギー階層ごとの損失流を空間分布として測る。

近年の中心的な進展は、複数診断の信号を重み関数を介して結合し、二次元速度分布関数をトモグラフィー的に逆演算で再構成する手法である。FIDAとCTSの複数視線の測定を統合すれば、ビーム入射エネルギーおよびその半分のエネルギーにおける分布の極大位置など、二次元速度分布の大域的な形が再現できることが示されている。測定は重み関数を核とする積分方程式として表され、減速分布を基底とする物理的先験情報を正則化に用いることで、診断の疎な位相空間でも安定な再構成が可能になる。このようにして得られた実測分布と合成診断（シミュレーションから予測した信号）との整合性検証は、高エネルギーイオン輸送モデルの検証基盤となっており、JETのD-T実験やLHDの三維磁場配位向けFIDAシミュレーションなど、燃焼プラズマに向けたモデル検証が進んでいる。