HL-2A

HL-2A（中国の成都にある核工業西南物理研究院が運用するトカマク）は、磁場閉じ込めプラズマの物理研究、とりわけITERや後継機HL-2Mに関わる課題――Hモードへの遷移、エッジ局在モード（ELM）の制御、乱流輸送、高エネルギー粒子物理、ディスラプション緩和――を研究対象とする中型装置である。2002年末に初プラズマを得て以来、単極ダイバータ配置を含む多様な運転形態で実験が続けられ、初期段階でプラズマ電流320 kA、トロイダル磁場2.2 T、放電持続時間約1.6秒の運転が達成された。装置断面図を図に示す。図にはプラズマ形状（X点を持つ単極配置）と、可視分光アレイ、ビーム発光分光（BES）、超音速分子ビーム入射（SMBI）など主要診断・入射システムの配置が描かれている。

装置と歴史

HL-2Aは、ドイツから譲渡されたASDEXのトロイダル磁場コイルと真空容器を基礎に再構築された経緯を持つ。この系譜は、同装置がHモード発見の装置であるASDEXと同様の軸対称ダイバータ構成を備えることを意味し、エッジ物理研究に適した設計となっている。運転はリミタ配置と単極（SN）ダイバータ配置の両方で行われ、プラズマ電流と水平位置のフィードバック制御により放電の再現性が確保されている。ダイバータ配置が形成されると主プラズマ中の不純物放射が顕著に減少することが初期の実験で確認され、エッジ制御の重要性が早くから示された。

装置の役割は単独の実験成果にとどまらず、より大型のHL-2M（2020年に初プラズマ達成）に向けた物理・技術の基盤を作ることにある。HL-2AでのELM制御、放射損失制御、ディスラプション予測（畳み込みニューラルネットワークを用いた予測で96.8%の精度が報告されている）などの研究は、次世代装置の運転シナリオに直結する内容である。

加熱・電流駆動と診断

プラズマ加熱は中性ビーム入射（NBI）、電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）、低域混成波電流駆動（LHCD）の組み合わせで行われる。ECRHは加熱のみならず、電流プロファイル制御や局所的な電子加熱による輸送研究の手段としても使われ、例えばオフアクシスECRHの遮断を契機とした中心電子熱輸送の低減や、ECRHに伴う粒子の外向き輸送（ポンプアウト）が観測されている。NBIは高エネルギー粒子の供給源として、フィッシュボーンやアルフベン固有モードなど、高速粒子が駆動する磁気流体（MHD）不安定性の研究に不可欠である。

診断体系は充実しており、レーザー干渉計とマイクロ波反射計を組み合わせた電子密度分布の一貫した測定、軟X線パルス高分析、硬X線分光、真空紫外分光、電子サイクロトロン放射イメージングなどが整備されている。また、高速イオンの閉じ込めを非侵襲的に診断する手段として、イオンサイクロトロン周波数の整数倍に現れるイオンサイクロトロン放射（ICE）の観測が行われており、コア領域で駆動されるICEの同定は高速イオン分布の情報を与える手法として注目されている。

ダイバータとエッジ・SOL物理

HL-2Aの下部ダイバータは、コイル、バッフル、ターゲット板が組み合わされた閉じた構造を持ち、バッフルとターゲットの入口間隔は約20 mmと、分離面からの距離にほぼ等しく、スクレイプオフ層（SOL）の熱流束減衰長の2〜3倍という最適な閉塞度の目安を満たす。図にこの閉鎖型ダイバータの断面を示す。図には内外のバッフル、ターゲット板、ダイバータ入口、不純物ガスパフの位置が示されている。

閉塞度が高いほど中性粒子がダイバータ領域に滞留し、主チェンバーへの流出が抑えられる。HL-2Aではこの幾何により高い中性圧縮比が得られ、外側ダイバータへの不純物（窒素、ネオンなど）入射によって放射損失を増大させつつ、主プラズマへの不純物汚染を観測可能なレベル以下に抑えたまま、Hモード放電のディタッチメント（ターゲット熱負荷の低下）が達成された。これはITERが目指す放射ディタッチメント運転（熱負荷を15 MW/m²未満に抑えること）に向けた知見を与える。さらに、エッジ局在乱流が不純物の対流を反転させ、持続的なエッジ放射層を形成する現象が観測されており、連続的な不純物入射なしに放射層を維持しコアへの不純物蓄積を避ける新たな運転領域の可能性が示されている。

閉じ込め、HモードとELM制御

Hモードへの遷移（L–I–H遷移）に関する研究はHL-2Aの中心課題の一つである。実験は、平均E×Bせん断流の増大がL–I遷移およびI–H遷移の引き金となることを示し、せん断流の変化が主にイオン圧力勾配に起因することを明らかにした。NBIとECRHの併用により低密度領域でのELMy Hモードが得られ、その電力しきい値は密度の低下とともに増加することが確認された。また、ベータ誘起アルフベン固有モードがL–I–H遷移に影響を与えるという観測もあり、遷移物理における高速粒子の役割が示唆される。高規格化ベータ（βN最大3）で内部輸送障壁（ITB）を持つHモードも達成され、先進的閉じ込めシナリオの研究が進められている。

ELM制御はHL-2Aの最も顕著な成果の一つである。レーザーブローオフによる不純物（Al、Fe、W）シードによりELMの緩和と抑制の双方が実現され、超音速分子ビーム入射（SMBI）やクラスタージェット入射（CJI）によるネオン混合ガスの入射でもELM緩和が得られた。SMBIやCJIの適用後にはELM頻度が2〜3倍に増加し、ダイバータターゲットの熱流束が平均50%低下した。共鳴磁気摂動（RMP）の侵入特性に関する研究や、LHCDによるELM緩和も報告されており、タイプI・タイプIIIの両方にわたる広いパラメータ領域でELM制御が可能であることが示されている。これらの手法は、ELMの暴発がプラズマ対向壁へ与える熱負荷を抑えるという、ITER運転上の重要課題に直接応答するものである。

乱流・輸送と高エネルギー粒子

エッジ乱流と輸送の研究も盛んである。帯状流（ゾーナルフロー）と測地音響モード（GAM）の共存が観測され、両者の強度が安全係数やECRH出力に依存すること、乱流から帯状流への非線形エネルギー伝達率が実測され、帯状流がL–H遷移で重要な役割を果たすことが示された。また、自発的に生成されたE×Bせん断流が大規模コヒーレント構造を生成する機構の実験的証拠が得られ、Lモード放電ではE×B「階段」構造の証拠も報告されている。磁気島が一定幅を超えると乱流が変調を受け、島内部で局所的に変調が生じるとともに島領域を横断する乱流の半径方向拡大が起こること、境界プラズマ中のフィラメントの三次元構造が測定されるなど、エッジ・コアを横断する輸送物理の理解が進められている。

高エネルギー粒子物理では、NBIやECRH加熱下で幅広い周波数帯の不安定性が観測されている。魚骨型不安定性については、ECRHによるm/n=1/1イオン魚骨の安定化、ECRH/ECCDプラズマでの「ダブルe-フィッシュボーン」、NBI加熱プラズマでのオフアクシスソートゥースと非線形モード結合、通過高速イオンが主に駆動する新たなm/n=2/1イオン魚骨の観測などが報告された。トロイダル・アルフベン固有モード（TAE）とティアリングモードの非線形結合がn=0の高周波モードを生成することも見いだされた。これらのモードは高温・低衝突性プラズマ中で共存・相互作用し、輸送に大きな影響を及ぼしうる。高速粒子が微視的乱流や帯状流のダイナミクスに与える影響をITBプラズマで調べた研究もあり、燃焼プラズマでのアルファ粒子閉じ込めという課題に向けた基礎データを提供している。