フィードバック安定化

磁気閉じ込めプラズマは、理想磁気流体(MHD)的には安定化の限界を超える圧力や電流を保持できる可能性を持ちながら、実際には壁や制御系の存在を前提とした不安定モードをしばしば生じる。フィードバック安定化とは、プラズマの擾乱をセンサで実時間に検出し、その信号に基づいて外部のコイルに電流を流して擾乱を打ち消すことで、こうしたモードを能動的に抑え込む手法である。モードの成長率が導体壁の磁場拡散時間程度と遅い場合、制御系の応答が間に合うため、この方法が現実の選択肢となる。

図はフィードバック系を構成する要素を極断面で示したものである。プラズマ限界(小半径 a)、ステンレス製真空容器(r_v)、センサのフラックスループ、二層の銅殻(r_w)、そして制御コイル(r_c)が同心に配置され、センサが壁面の磁場擾乱を測り、制御コイルが修正磁場を印加するという一連の流れが読み取れる。

対象となる不安定モード

フィードバック安定化の主対象は、導体壁の存在によって成長が遅くなった外部MHDモード、すなわち抵抗壁モード(RWM)である。理想条件では電流駆動のキンクモードなどが即座に成長するところを、壁がプラズマの外側にありながら磁場を凍結する効果で成長率を壁の拡散時間の逆数程度まで下げる。この「遅い」成長率(典型的には数百〜数千 s⁻¹ 以下)こそが、電磁石の応答で追いつける根拠になっている。トカマクでは高細長比平衡の軸対称(垂直)不安定、高ベータ運転での n = 1 外部キンク、さらに破壊の前兆となる非軸対称モードが対象となり、反転磁場ピンチ()では電流駆動理想キンクに由来するRWMが、ミラー機では低ベータでも成長するフルート不安定が対象となる。壁を想定した研究では、壁自体が不安定化要因となるため、そのためのセンサとアクチュエータの提案も行われている。また、ポンダーモチーブ力(高周波場による平均化された力)を用いて外部キンクを抑える、電流を直接流さない方式の提案もある。