Hモード

Hモード（high confinement mode、高閉じ込めモード）とは、トカマクプラズマにおいて、加熱入力がある閾値を超えると自発的に移行する高閉じ込め運転領域である。プラズマ縁に幅数センチメートルの輸送障壁が形成され、圧力の「台座（ペデスタル）」が立ち上がることで、中心部の圧力全体が押し上げられ、エネルギー閉じ込め時間がLモード（通常閉じ込め）の概ね2倍程度に改善する。1982年にASDEXで発見されて以来、Hモードはほぼすべての核融合炉設計の前提となっており、ITERをはじめとする次世代装置はHモードレベルの閉じ込めを基準に設計されている。

発見と定義

Hモードは1982年、ASDEX装置で中性粒子ビーム入射加熱の実験中に発見された。ある入力電力を超えると、プラズマのエネルギー蓄積が不連続的に跳ね上がり、閉じ込めが顕著に改善するという、双安定的な「分岐」の性格を持つ遷移が観測されたのである。この発見は、エネルギーを生み出すトカマク炉への実現可能な道筋を与えたという点で、磁場閉じ込め核融合研究の転換点となった。

Hモードの定義的特徴は、プラズマ縁の狭い領域に形成される輸送障壁である。障壁の内側では粒子とエネルギーの輸送が激減し、密度と温度の勾配が急峻になる一方、障壁の内側の主プラズマではプロファイルが比較的平坦になる。ASDEXでの初期の研究は、この縁部の急勾配とバルクの平坦なプロファイル、それに伴うMHD特性の変化、不純物輸送の変化（静止Hモードでは新古典的な不純物輸送の効果が顕在化する）などを詳しく調べ、Hモードの物理像を確立した。また縁部の電子温度がL–H遷移に決定的な役割を果たすこと、障壁内の密度揺らぎや磁気揺らぎが抑制されることが示された。

Hモードの縁部構造がいかに急峻であるかを、実際の測定プロファイルで見ることができる。

図はHモード定常相における縁部の電子密度と電子温度の半径方向プロファイルで、最後部閉じ込め磁面（LCFS）の外側を原点として描かれている。密度は台座の頂上で約6×10^19 m^-3から、幅数センチメートルの間に急落し、温度も約1 keVからほぼゼロへ落ち込んでいる。色の異なる曲線は、障壁内の粒子拡散係数の値を変えた輸送シミュレーションであり、係数が小さいほど勾配が急になる、すなわち輸送障壁が強いほど台座が高くなるという関係を直接示している。

L–H遷移と電力閾値

LモードからHモードへの遷移は、入力電力がある閾値 P_LH を超えたときに起こる。この閾値は密度、磁場強度、主イオン種、壁・ダイバータの状態、磁気配位など多くのパラメータに依存し、経験的なスケーリング則が整備されているが、遷移の根本物理については未解明の部分が残る。それゆえ、現在の装置とは大きく異なるパラメータ領域で運転する将来炉への外挿は容易でなく、物理に基づく理解が重要課題となっている。

遷移の物理像としては、縁部の乱流がせん断流によって抑制されるという描像が中心にある。縁部のイオン熱流が増えると径方向電場 E_r が変化し、E×B せん断流が乱流渦を引き裂いて輸送を抑え込む。この自己組織化機構には、乱流自身が生み出すゾーナルフローの寄与も考えられている。遷移の瞬間には、縁部の密度揺らぎや径方向速度の統計的性質が劇的に変化し、系が複数の統計状態を経由して進むことが、情報幾何などの手法で解析されている。

閾値には磁気配位の影響が大きい。X点の位置やダイバータの閉じ度（中性粒子を滞留させる度合い）は P_LH を大きく変え、例えばJETではストライク点を垂直ターゲットに置くと水平板より閾値が高くなること、ダイバータの閉じ度を上げるとJETやJT-60Uでは閾値が下がるがASDEX Upgradeでは逆に上がることなどが報告され、装置間で統一的な説明はまだ得られていない。ダイバータ配位の違いは、将来装置への P_LH 予測における最大の不確実性源の一つとされる。実際、同じ入力電力でもX点高さを変えるだけで遷移の有無が変わる様子を、時間発展で追うことができる。

図は、同じ入力電力でX点高さを変えた4つの放電におけるDα光の強度（紫）と線積分電子密度（青）の時間推移である。Dα強度の急落がL–H遷移の指標であり、それに続いて密度が立ち上がる。ダイバータの形状（スロット型か水平ターゲットか）や密度によって、遷移のタイミングとその後の密度上昇の様子が明確に異なることが読み取れる。

ペデスタル：縁部輸送障壁の構造とスケーリング

Hモードの性能を決めるのはペデスタルの構造である。ペデスタルは少なくとも三つの相互作用する過程——MHD安定性、乱流・新古典輸送、粒子・熱源——によって形作られる。台座の圧力勾配が急になると安定性の限界に近づき、一方でELM間の輸送と源が密度と温度のどちらが台座の高さを担うかを決める。ペデスタル圧力は中心部プロファイルの剛性を通じて全閉じ込めを左右するため、ペデスタル物理の理解はプラズマ性能予測の出発点となる。

複数装置での詳細測定により、ペデスタル幅と高さのスケーリングが調べられてきた。多くの実験で、限界の圧力勾配は理想バルーニング安定性によってよく記述され、場合によっては縁の極限領域が「第二安定領域」に入ることも分かった。幅については、例えばJT-60Uでイオン温度ペデスタル幅が ΔTi ≈ 3.3 ε^(1/2) ρ_i,ポロイダル（εは逆アスペクト比、ρ_i,ポロイダルはイオンのポロイダル・ラーマー半径）とスケールすること、DIII-Dで ΔPe/R ∝ β_ポロイダル,ペデスタル^0.4 が報告された。電子温度ペデスタル幅は多くの実験でプラズマ電流に依存しない。また電子とイオンの温度・密度でペデスタル幅が異なるという観測も複数装置でなされており、単一の単純な則では記述できない。

密度を上げた運転ではペデスタルの劣化が顕在化する。ガス入射による密度上昇はペデスタル位置の外側移動を招き、ピーリング・バルーニング安定性を損なって台座圧力を下げる。密度と温度のペデスタル位置の相対的なずれも劣化に寄与することがJETの金属壁装置で示された。高密度化は核融合出力向上に不可欠であるため、この劣化メカニズムの解明——乱流輸送の変化に加え、高密度で抵抗性MHDの効果が効いてくる可能性——が活発に研究されている。

ELMとペデスタル安定性

急峻な圧力勾配とそれに伴う縁部のブートストラップ電流は、エッジローカライズドモード（ELM）と呼ばれるMHD不安定性を引き起こす。ELMは短時間の爆発的にプラズマのフィラメントを縁から放出し、粒子と熱をプラズマ表面材料に吐き出す。標準的なHモードで見られる最大級の「タイプI ELM」は、ペデスタルを周期的に緩和して密度と放射を定常化する役割も果たすが、その過渡熱負荷は表面材料を急速に侵食し、ITERのQ=10運転では制御しないままではプラズマ対向部に深刻な損傷を与えると予測されている。

ELMの発生限界を与えるのがピーリング・バルーニング（P–B）モデルである。ペデスタルの正規化電流密度 J_N,ペデスタル と正規化圧力勾配 α の2つのパラメータで安定性が記述され、圧力勾配が高いと高トロイダルモード数のバルーニングモードが、電流密度が高いと低モード数のピーリングモードが不安定化する。両者は互いに逆方向に安定化・不安定化するため、J–α 平面上に安定境界が描かれ、これがペデスタル圧力の上限を定める。衝突性がブートストラップ電流に効くため、制約は圧力だけでなく密度と温度に個別に依存する点が重要である。ELITEなどの高速MHD安定性コードによる計算は、密度・三角形状・プラズマ電流を変えた一連の実験データと定量的に比較され、ペデスタル高さの予測に成功している。

形状パラメータ——伸長率 κ、三角率 δ、正方率 ζ——はこの安定境界の位置を動かす。伸長率と適切な正方率はバルーニング安定性を、高い三角率はピーリング安定性を改善する。球状トカマクMAST Upgradeでは、装置改修による強い形状制御の結果、改修前のMASTに比べて J_N,ペデスタル と α がほぼ2倍のペデスタルが実現し、ペデスタル温度も最大60%上昇した。これはピーリングとバルーニングの結合が弱まり、安定領域が拡張されたことを示唆する。

図はMASTとMAST-Uの放電を J–α 平面上で比較したもので、緑の帯が高モード数の理想バルーニング安定境界、青の帯が低モード数のピーリング境界を表す。MAST-Uの放電（破線）はバルーニング境界がペデスタル温度によって大きく変動しつつ、ピーリング境界近くまで押し上げられているのに対し、MASTの放電は強くバルーニング律速であった。両境界の間に拡張された安定領域が現れていることが、図から読み取れる。

ELM制御と代替Hモード領域

大型ELMを回避しつつ良好な閉じ込めを保つため、複数のアプローチが開発されている。一つは外部から共鳴磁気擾乱（RMP）を印加してELMを抑制する方法、もう一つは本質的にELMを持たない領域——静穏Hモード（QHモード）やIモード——へのアクセスである。さらに、自然に小さなELMしか発生しない領域がある。JT-60Uで見出された草状ELM（grassy ELM）は高ポロイダルベータ（β_ポロイダル ≳ 1.1）と高エッジ安全係数（q95 > 4）の領域で得られ、EASTやDIII-Dでも再現された。ASDEX UpgradeのQCE（準連続排気）領域は強いガス入射とダブルヌル近傍を必要とするが、高ペデスタル密度を実現する。JETではベースライン条件（q95 ≈ 3、β_ポロイダル < 1、高プラズマ電流）で小ELMを維持するBSE領域が開発され、ガス入射をペレット注入で置き換えることで、ガスを用いないまま低衝突性（ν*_e,ペデスタル ~ 0.1、ITER期待値に匹敵）のペデスタルと H98 ≈ 1 の閉じ込め、かつタングステンのコア蓄積なしの定常運転が達成された。これらの小ELM領域は過渡熱負荷を大幅に減らす一方、得られる運転窓が狭く、ITERの全パラメータ範囲を覆うには至っていない。

金属壁装置では、ELMによる不純物（タングステンなど高Z元素）の縁からの掃き出しが定常運転に不可欠となるため、ガス入射でELM頻度を保つのが定石だが、これはペデスタル温度を下げて閉じ込めを犠牲にする。小ELM領域でこの両立をどう実現するかが、コア・縁統合運転の中心課題である。長パルス運転では、EASTが超伝導トカマクとして長時間Hモードを実現し、ペデスタル圧力の周期的な緩和振動やELM頻度の変化、縁部とコアの揺らぎモードの相互作用を詳細に観測することで、定常Hモード運転の物理的基盤を提供している。また、EPEDモデルが予測し実験でも観測されたスーパーHモードのように、形状最適化と第二安定領域へのアクセスによってペデスタル圧力をさらに高める道も探られている。Hモードの持続、制御、そしてELMに起因する熱負荷からの表面材料保護——この三つが、磁場閉じ込め炉を実現するうえでHモード研究の今後の焦点であり続ける。