エルゴディックダイバータ

エルゴディックダイバータ(ergodic divertor)とは、トカマクのプラズマ縁に外部コイルで共鳴的な螺旋磁場擾乱を加え、磁力線の構造を意図的に「エルゴディック(縁の一部で磁力線が規則的な磁気面を失い、領域内をほぼランダムに遍歴する)」に変えることで、粒子と熱の排出を制御する装置・運転手法である。磁気面を分離するX点を持つポロイダルダイバータと異なり、磁力線そのものを確率的な境界層へと変換し、その長い遍歴経路に沿ってプラズマを専用のターゲット面へ導く。フランスのトカマク Tore Supra とドイツの TEXTOR(および TEXTOR-94)で本格的に実装・研究され、ダイバータなしで長パルス・高加熱出力を運転するための排気・熱負荷分散手段として、また磁場擾乱とプラズマ縁の相互作用を調べる実験手段として発展した。

原理：確率的境界層と磁力線のエルゴディック化

トカマクの縁では、プラズマ電流が作る磁場に、有理面(回転変換が有理数になる面)上で共鳴する摂動を加えると、磁気島が形成される。さらに複数の異なるモード数 m/n の共鳴成分を重ねると、隣り合う磁気島の鎖が重なり合い、島の間の磁力線が分離・再結合を繰り返す。この結果、縁の一定の幅を持つ層で磁力線は単一の磁気面に留まれず、半径方向へも角方向へもランダムに遍歴する。これが確率的境界層(stochastic boundary layer)であり、エルゴディックダイバータはこの層を人工的に作り出す装置である。

確率的な層の効用は、磁力線の「長い接続長」にある。エルゴディック化された磁力線は、短い距離で壁に当たる開いた磁力線(リミター接続)とは異なり、層内を何周も遍歴した後に最終的に専用のターゲット面へ到達する。この長い経路に沿って粒子は再結合・再電離を繰り返し、運動量と熱は体積的に分散される。その結果、熱負荷が局所のターゲット板に集中せず、放射によって運ばれる割合が大きくなる。Tore Supra では高加熱運転時に排熱の大部分(約80%)が放射で処理されたと報告されており、これがこの手法の中心的な利点である。また、遍歴する磁力線が不純物源の近くのプラズマをターゲット面へ運ぶため、不純物がコアに入り込む前に遮蔽する効果も、X点ダイバータに近い形で得られる。

エルゴディック化の程度は摂動磁場の振幅と共鳴成分のスペクトルで決まる。摂動が弱く単一共鳴に近い場合は磁気島が支配的であり、振幅を上げて複数共鳴が重なると層全体が確率化する。この「島から確率層へ」の制御性こそが、後述の TEXTOR 動的エルゴディックダイバータの運転モードの基礎になっている。

ハードウェア:Tore Supra と TEXTOR のコイル系

Tore Supra のエルゴディックダイバータは、トーラス周囲に配置されたモジュール群からなる。各モジュールはプラズマ縁に近い面内に六本の導体を持ち、それらに位相の異なる電流を流すことで、m/n = 6/2 を基本とする共鳴摂動を作る。モジュール自体がターゲット面とポンプ路を兼ねており、確率層を遍歴した粒子をここで回収・排気できる構造になっている。つまりこの装置では、磁場擾乱コイル・ターゲット・ポンプ限界器の機能が一体化している。

TEXTOR の動的エルゴディックダイバータ(Dynamic Ergodic Divertor, DED)は、設計思想が異なる。コイルは高磁場側の内壁に沿って連続的な螺旋巻線として敷設され、m/n = 3/1、2/1、1/1 など複数のモード構成を選べる。最大の特徴は「動的」である点で、コイル群の電流位相を時間的に回転させることで、摂動パターンをプラズマ電流と同方向あるいは逆方向に回転させられる。これにより、静的な確率層の形成に加えて、回転する摂動とプラズマの共鳴相互作用を研究でき、電源系もこの時間制御を可能にするよう設計された。Tore Supra が低磁場側のモジュール型・静的擾乱であるのに対し、TEXTOR が高磁場側の螺旋巻線・回転可能である違いは、非共鳴近接場の効果やプラズマ位置(MARFE の発生、不純物遮蔽、ディスラプション閾値など)への影響の仕方を変えることが指摘されており、両者は確率境界層物理を補い合う実験系を構成した。

運転モード:螺旋ダイバータ、エルゴディック化、ティアリングモード励起

TEXTOR の DED では、同一のコイル系で摂動電流の大きさと回転方向を変えることで、三つの異なる縁構造を実現できることが示された。電流を静的に流した場合は、共鳴面近くで磁力線がダイバートされた螺旋ダイバータ構造が形成される。解析によれば、この螺旋ダイバータを形成するのに必要な摂動振幅はポロイダルダイバータに比べて一桁程度小さく、その低い摂動電流でも粒子のダイバート効率は50%を超え、十分に実用になり得る。摂動を電流方向に回転させると磁力線構造はエルゴディック化し、逆方向に回転させると摂動がプラズマに浸透してティアリングモード(磁気島を伴う抵抗性不安定モード)が再現性よく励起される。

この三モードの切り替えは、単なる磁場構造の変化にとどまらず、縁の輸送や回転の性格を大きく変える。螺旋ダイバータモードでは高再循環領域の形成や遮蔽の強化といった通常のダイバータ特性が現れ、エルゴディックモードでは確率層による体積的排気、ティアリングモードモードでは島を介したコアとの結合が支配的になる。励起されたティアリングモードについては、その励起閾値、モードの回転、そして電子サイクロトロン加熱・電流駆動(ECRH/ECCD)によるモード抑制が系統的に研究された。これは、外部摂動で不安定モードを意図的に制御できることを示した点で、磁場擾乱研究一般への波及も大きい。

プラズマ縁への効果:粒子排気、不純物遮蔽、熱排気

Tore Supra での一連の実験は、エルゴディックダイバータが「X点ダイバータに匹敵する境界制御」をリミター配置のまま実現できることを示した。すなわち、固有不純物(主に炭素)がコアへ侵入する前に遮蔽され、熱負荷が専用のターゲット面へ迂回され、ポンプによる粒子排気で密度制御が可能になる。ポンプ限界器(スロット型のイオン回収と通気構造の中性粒子回収)との比較実験では、三つの配置それぞれで密度制御の特性が調べられ、エルゴディックダイバータが確率層を経由した排気経路として機能することが確認された。確率層とモジュールの間の領域は比較的よく限定された「ダイバータ体積」として振る舞い、コア(正規化半径 0.8 以内)とは明瞭に分離される。

分光診断を用いた研究は、ターゲット板前面のプラズマの性質を詳しく調べた。中性化板の前で放出される Dα スペクトルの非対称性や、ヘリウム線の重畳によるスペクトル形状への寄与の解析は、再循環中性粒子の空間分布とターゲット近傍の電子温度・密度を定める上で重要であり、排気性能の評価を支えた。また真空紫外分光により、モジュール近傍に局在した不純物源が同定され、炭素の生成・輸送・再循環の循環経路が追跡された。縁の乱流もエルゴディックダイバータ運転中に測定され、確率層の形成が縁の乱流構造と粒子輸送を変えることが示された。熱排気については、高加熱出力(イオンサイクロトロン加熱で5.5 MW、下段混成波加熱で3 MW)の運転が可能で、排熱が主に放射で処理される「放射マントル」的な運転が、DED を用いた放射マントル最適化の研究と並行して追求された。

閉じ込め、回転、輸送への影響

エルゴディックダイバータ導入の代償として閉じ込めが損なわれないかは、当初の最大の関心事であった。Tore Supra の実験は、コア(ρ ≤ 0.8)の電子密度・温度分布がエルゴディックダイバータなしのリミタープラズマと比べて変化せず、コア閉じ込めが実質的に劣化しないことを示した。一方、電子熱閉じ込めに対する影響を特に調べた研究では、確率層の幅や摂動条件に依存して縁の熱輸送が変化することが示されており、効果は主に縁の輸送障壁の外側に現れると理解される。磁気島や確率層を横切る熱パルス伝播の測定は、縁の局所熱輸送が磁力線の遍歴構造と直接結びつくことを実証した。

最も予想外かった効果の一つは回転への影響である。TEXTOR の DED 実験では、エルゴディック化によってプラズマのトロイダル回転が強く加速される(スピンアップ)ことが観測され、その起源は縁の電場の変化に帰属された。摂動を回転させると低周波の加熱と流れが誘起されることも示され、静的・動的の各運転モードがトロイダル速度分布を大きく変えることが確認された。これは、外部から印加した磁場擾乱が磁力線構造の変形を通じてプラズマの角運動量や電場構造にまで手を届かせられることを意味する。反射計による密度揺動の測定や、摂動に伴う輸送の増減の系統的な評価と合わせて、エルゴディックダイバータは「縁の磁場構造を操作して境界プラズマ全体を制御する」という、現在の共鳴磁場擾乱研究(RMP による ELM 制御など)につながる物理的基盤を提供した。