Hモードペデスタル

Hモードペデスタルとは、トカマクプラズマが高閉じ込めモード(Hモード)に入ったとき、プラズマ縁端に形成される輸送障壁領域のことである。この薄い層では密度・温度・圧力が急峻な勾配をもち、プラズマ中心部の圧力を「台座(ペデスタル)」のように高く支えるため、全体のエネルギー閉じ込めがこの縁端構造に強く支配される。図に示すのは、Lモード相とHモード相で測定された電子密度・電子温度および不純物(炭素)の密度・温度の半径方向プロファイルであり、Hモード相(赤)では縁端の密度と温度がLモード相(青)に比べて大きく持ち上がり、狭い領域に急な立ち上がりが生じている様子がわかる。

定義とHモード閉じ込めにおける役割

Hモードは、縁端への加熱出力が閾値を超えると縁端輸送が急激に低下することで出現する。この輸送障壁の結果、中心部の密度・温度が上昇し、エネルギー閉じ込め時間はLモードのほぼ2倍に達する。閉じ込めの改善分の多くがペデスタルそのものによるのではなく、ペデスタルが高い縁端「境界条件」を与えることで中心部の温度が比例して高くなるという形で効く。したがって核融合炉の性能予測では、中心プラズマの輸送モデルと並んでペデスタルの高さ(縁端圧力)を予測することが不可欠であり、ITERのような燃焼プラズマではペデスタル高さが直接プラズマ出力に反映される。

ペデスタルはコアとスクレイプオフ層(SOL)を接続する領域でもあり、核融合出力(ペデスタル高さ)と排熱(分離面密度・SOL輸送)の両方に影響する。このため、ペデスタルの研究は単なる縁端物理にとどまらず、炉設計の両輪にまたがる主題となっている。

ペデスタル構造:高さ・幅・勾配

ペデスタルは通常、高さ(ペデスタル頂部の圧力)、幅(勾配領域の厚さ)、勾配の三つ組で特徴づけられる。多くの装置での測定により、次のような系統的な知見が得られている。

• 幅は正規化イオン・ラーモア半径とペデスタル極向角ベータの平方根に弱く依存してスケールする。例えばJT-60Uではイオン温度ペデスタル幅が ΔT_i ≈ 3.3 ε^(1/2) ρ_i,ポロイダル で表され、DIII-Dでは圧力ペデスタル幅がペデスタル極向ベータの冪(約0.4乗)で増えることが報告されている。
• 電子温度ペデスタル幅は多くの実験でプラズマ電流にほぼ依存しない。
• 密度・電子温度・イオン温度の各ペデスタル幅は互いに異なる値をとりうる。すなわちペデスタルは単一の「幅」をもつ構造ではなく、粒子輸送と熱輸送で別々の物理が効いている。
• 中性粒子の侵入は密度ペデスタルの足元(分離面側)の構造に効くが、電子温度ペデスタル幅は主にプラズマ物理(乱流輸送)で決まる。また時間発展の測定では、密度幅とペデスタル密度が同時に増えるなど、単純な中性侵入モデルでは説明できない振る舞いが観測されており、幅のモデルは時間依存を含む必要がある。

ELM(後述)の間の相では、ペデスタルは崩壊から再成長を繰り返す。密度・温度・圧力の幅と高さはELM後から次のELMまでに増加し、加熱出力が大きいほど成長が速くELMまでの期間が短い。十分に長い相では勾配がほぼ定常に近づくが、全パラメータが同時に定常になるわけではなく、ペデスタルはELMという不安定化によって上限を押さえられた、動的な平衡である。

ペデスタルを決める輸送物理

ペデスタルの勾配は、乱流輸送がどれだけ抑えられるかで決まる。HモードではE×B剪断流が乱流を抑制すると考えられており、時間依存モデルはペデスタルの自己無撞着な成長を定性的に再現する。しかし、どの微視的不安定性が残りの輸送を担うかについては、いまだ統一的見解がない。

電子熱輸送については、ジャイロ運動論的シミュレーションがマイクロティアリングモード(MTM)を有力候補として挙げてきた。MTMは磁気的乱れを伴うドリフト波不安定性であり、JETやDIII-DでMTMと整合する磁気・密度変動が観測されている。実験的にも、電子熱拡散係数が粒子拡散係数を上回ること、磁気変動振幅が閉じ込め性能やELM間の電子温度勾配の飽和と相関することなど、MTMが電子熱輸送を支配することを示す証拠が蓄積している。このほか、温度勾配駆動のITG/ETGモード、圧力勾配で不安定化する電磁的キネティックバルーニングモード(KBM)、密度勾配駆動の閉じ込まれた電子モード(TEM)などがペデスタル輸送の候補として研究されている。

粒子輸送については、強い内向きピンチが強い拡散を相殺することでペデスタルの密度勾配が維持されると考えられている。また縁端衝突頻度が高い条件では電子熱輸送が増大して勾配が調節されることが示されており、衝突性はペデスタル構造の重要な制御パラメータである。図は低衝突性と高衝突性の放電で測定された電子密度・電子温度・電子圧力および不純物イオンのプロファイルとその勾配を並べたもので、衝突性の違いがペデスタルの幅と勾配を系統的に変える様子を示している。

MHD安定性限界とELM

ペデスタル勾配が増え続けるわけにはいかない。その上限を与えるのが縁端の磁気流体力学(MHD)安定性であり、特に中間モード数のピーリング・バルーニング(P-B)不安定性が類型I ELMの発生条件として広く受け入れられている。ピーリング項は縁端電流(ブートストラップ電流)に、バルーニング項は圧力勾配に駆動され、両者を軸にした安定性図上でELM開始点が決まる。DIII-DやJETでの測定では、ELM開始時のペデスタル条件(縁端電流を含む)がP-B安定性予測と一致し、ELM初期の摂動構造も非線形シミュレーションの予測と整合する。高三角形状プラズマでは、理想バルーニングモードの局所的な不安定化がペデスタル領域で起こりうることも解析されている。

一方、極限端では「第二安定領域」に入ってより高い勾配が許容される場合がある。また、P-B限界を回避してELMを緩和・抑制する運転領域(グラッシーELMやQHモードなど)も研究されており、これらはP-Bモデルの予測と整合しつつ運転範囲を広げている。図はELM間の時間発展を低衝突性・高衝突性で比較したもので、Dα発光で示されるELMの後に電子温度勾配が再成長し、それに伴って磁気変動振幅(150–500 kHz帯)が増加して勾配の飽和と対応する様子が見て取れる。

ペデスタル予測、燃料供給とITERへの意味

ペデスタル高さの予測には、P-B安定性限界とキネティックバルーニングモードによる幅の制約を組み合わせた統合モデル(EPED型)が用いられ、複数装置でペデスタル圧力を概ね再現してITERへの外挿の基礎となっている。ただし燃料供給条件によっては高さを1割強程度過大・過小評価することがあり、モデルの適用範囲には注意が必要である。

粒子源の位置もペデスタル構造を変える。ガスパフでは電離がSOLとペデスタル足元に局在し、密度プロファイルが外側に移って分離面密度が増えるためペデスタル圧力が下がる。一方ペレット注入では電離がペデスタル頂部の内側で起こり、電子温度ペデスタルが広がって勾配が緩むことで、同程度の密度でより高いペデスタル圧力が維持される。将来の炉ではSOLが中性粒子に対して不透明になるためペレット燃料供給が主な粒子源となり、この粒子源位置の効果は炉のペデスタル設計に直結する。

さらに、ペデスタル運転は排熱条件とも両立しなければならない。分離面密度を下げてダイバータを脱離着(デタッチメント)させる運転と高いペデスタル圧力の両立は実験的に確認されており、ダイバータ形状もペデスタル構造に影響を与える。このようにペデスタルは閉じ込め性能、ELM制御、排熱という炉の三つの要件が交わる場所であり、その高さ・幅・安定性限界の予測精度がそのままITERの性能予測精度につながる。