不純物

不純物（impurity）とは、核融合プラズマ中で燃料（水素・重水素・三重水素）以外のイオンとして存在する物質の総称である。プラズマの性能を直接左右する要素であり、わずかな濃度でも強い放射損失や燃料希釈を引き起こす一方、意図的に注入してダイバータの熱負荷を緩和する「不純物シーディング」として利用される。したがって不純物の研究は、発生源の抑制・プラズマ中の輸送・端部での遮蔽・意図的な制御利用という一連の物理を対象とする。

図は、プラズマ対向材料（ここではタングステン）からスパッタリングで放出された不純物が、ダイバータのスクレイプオフ層（SOL）を経由して閉じ込め領域（コア）へ侵入するまでの三段階——ターゲットからの放出、ダイバータからの漏れ出し、コアへの進入——を模式的に示したものである。以下の各節は、この経路に沿った不純物の一生に対応している。

不純物の定義と発生源

磁場閉じ込めプラズマでは、燃料イオン以外のすべてのイオンが不純物とみなされる。原子番号の小さいもの（炭素、酸素、窒素、ネオンなど）は低Z不純物、鉄・ニッケル・タングステンなどは高Z不純物と呼ばれる。区別が重要なのは、放射損失の大きさが原子番号に強く依存するためである。高Z不純物は1原子あたりの放射効率が桁違いに高く、コア中の許容濃度は極めて小さい。例えばタングステンでは、点火条件を満たすためにコア中の濃度を10⁻⁵程度以下に保つ必要があるとされる。

不純物の発生源は大きく分けて二つある。第一はプラズマ対向壁からの放出である。イオンの入射や中性粒子の再結合によって壁表面の原子がスパッタリングされ、プラズマ中に入る。壁材が炭素なら炭素が、タングステンダイバータならタングステンが主要な不純物となる。第二は意図的な注入、すなわちシーディングガス（N₂、Ne、Arなど）であり、これは後述のとおり熱負荷制御の手段である。また、プラズマの立ち下げ相のように壁との相互作用が強まる時期には、タングステンやニッケルの放出が増大してコア放射が強まる、といった運転条件依存性も知られている。

不純物放射と放射冷却

不純物がプラズマ性能を損なう最大の理由は放射損失である。不純物イオンは電子との衝突によって励起・電離し、その緩和過程で線放射・連続放射・再結合放射を放出する。単位体積あたりの放射損失は、電子温度と電子密度に依存する「冷却率（radiation function）」で記述される。冷却率は電子温度に対して鋭いピークを持つ。タングステンやニッケルの冷却率は数keV付近で最大となるため、コア電子温度がその付近に下がると中心部の放射が急増し、放電の終息やディスラプションにつながる。

この温度依存性は、シーディング不純物の選択を支配する。アルゴンはネオンより広い温度域で高い放射効率を持ち、SOL・ダイバータでの熱負荷低減には有効だが、コア端の温度域でも放射が強いためコアの冷却を招きやすい。ネオンは窒素より高い電子温度域で効率的に放射する。この性質を利用して、低い電子温度で運転する小型トカマクでの窒素シーディング実験が、ITERのSOL・ダイバータ条件でのネオンシーディングの類似実験として使われることがある。

コアにおける不純物輸送：新古典的輸送と乱流輸送

コアに入った不純物が蓄積するか排出されるかは、半径方向の輸送で決まる。輸送は拡散係数Dと対流速度Vで記述され、Vが内向き（内側への「ピンチ」）なら不純物密度分布は中心に尖る（ピーキング）。輸送機構は二つに大別される。

第一は新古典輸送、すなわち磁場中の個別粒子の軌道論理に基づく輸送である。トーラス装置では主イオンの密度勾配に比例した内向き対流が不純物に作用し、その強度は不純物の電荷とともに増える。このため、主イオン密度分布が鋭く尖った内部輸送障壁（ITB）プラズマでは、ヘリウム・炭素・アルゴン・ニッケルなどで顕著な不純物ピーキングと蓄積が観測されてきた。ITBは乱流輸送が抑えられて輸送係数が新古典レベル近くまで下がることで成立するが、その結果として不純物の閉じ込めも良くなり、放射損失の増大を経てITBが崩壊するというジレンマを抱える。低Z不純物では新古典モデルと実験の不一致が残る場合があり、乱流（異常輸送）の寄与が示唆される。

第二は乱流輸送である。図は、不純物密度勾配の符号によって乱流対流の向きが変わる様子と、電子温度勾配駆動モード（TEM）が駆動する各種ピンチの向きを整理したものである。図の左半分では不純物密度が中心に向かって増加しており、平行方向の圧縮効果が優勢な領域では対流が外向きに、熱拡散（サーモディフュージョン）が優勢な領域では内向きに働く。曲率ピンチと熱拡散ピンチは内向き、平行圧縮に由来する対流は外向きであり、これらの競合が不純物プロファイルの形状を決める。

さらに、中性粒子線入射で生じる高速イオンは、イオン温度勾配駆動モード（ITG）を安定化することで乱流による外向き対流を強め、同時に準中性条件の変化を通じて新古典対流も変化させる。この二つの効果の組み合わせが、ホウ素など軽不純物の「中空」な密度プロファイルの形成に大きく寄与することが示されている。また、コアでのトロイダル回転やイオン温度勾配は高Z不純物の挙動と強く相関し、低Z不純物は電子密度の尖りに主に支配される、というように、不純物の種類によって感度の違うことが観測されている。

端部での遮蔽・漏れ・保持

ダイバータでシードされた（あるいは壁から放出された）不純物のうち、どの割合がダイバータ領域に留まり（保持）、どの割合が上流のSOLを通ってコアへ漏れるか（漏れ）は、コア性能を直接決める。この遮蔽効率を決める物理は、不純物イオンに働く平行方向の力の釣り合いにある。主イオンの流れとの摩擦力は不純物を下流（ターゲット側）へ押し戻す方向に働き、温度勾配に由来する熱力（thermal force）は高温側へ、すなわち上流へ不純物を引く。両者の釣り合いで不純物イオンの平行速度がほぼ決まり、それにE×Bドリフトの極方向成分が加わって不純物の極方向速度が作られる。

従来は「熱力が摩擦力を上回れば不純物は漏れ、そうでなければ保持される」と単純に考えられがちだが、より正確には、不純物イオンの極方向速度プロファイルが持つ淀み点の位置と、不純物原子が電離する位置との相対関係で漏れと保持が決まる。電離が淀み点よりターゲット側で起きれば不純物はダイバータに保持され、淀み点より上流で電離すれば漏れる。したがって遮蔽効率は電離率の大きさと、主イオンの平行流分布（プフィルシュ・シュルター流やE×Bドリフト流を含む）に敏感である。

E×Bドリフトの役割も無視できない。ドリフトはSOLの内外非対称性やディタッチメント（detachment）の度合いを変え、背景プラズマを通じて間接的に、また不純物イオン自身の動きを通じて直接に輸送へ影響する。不純物イオンの平行速度は質量に反比例するため、ドリフトの効果は高Z不純物、とりわけピッチ角の小さいダイバータ領域で顕著になる。実際、タングステンの輸送を対象としたシミュレーションでは、E×Bドリフトを含めることでコアへの進入フラックスが有意に増加し得ることが示されている。また、低Z不純物を追加注入すると主イオンの流れが加速され、その摩擦力によって熱力でSOL上部に滞留していた高Z不純物（アルゴン）が内側ダイバータへ押し戻され、遮蔽が強まる、という混合シーディングの機構も報告されている。

シーディングとダイバータ熱負荷の制御

将来の磁気核融合装置では、ダイバータターゲットへの熱流束密度を材料と冷却系の許容限界以下に抑えることが必須である。その最も有力な手段が、不純物を意図的に注入して放射冷却を強め、ダイバータをディタッチメント（ターゲットでのプラズマ圧力・熱流束の大幅な低減）させる運転である。窒素やネオンはSOL・ダイバータ域で主に放射する低Z不純物として好まれ、JET、DIII-D、ASDEX Upgrade、EAST、KSTAR、HL-2A など多くのトカマクでディタッチメント達成とコア閉じ込めの両立が検証されてきた。

ただし、同じ低Z不純物でも振る舞いは異なる。KSTARでの窒素とネオンの比較実験では、窒素はダイバータ領域に良く圧縮されてそこで効率的に放射しコアへの漏れが少ないのに対し、ネオンは上流へ漏れてコア放射を大きくする傾向が実験とシミュレーションの両方で確認されている。この「ダイバータ圧縮」の違いがコア・端部両立性を決める。また、ITERでは窒素がトリチウム化アンモニア生成を通じて燃料サイクルに制約を与えるため使用が難しく、ネオンが候補となる、といった運転上の事情もある。

シーディングには別の利点もある。不純物注入はITG乱流や電子温度勾配駆動乱流を安定化して熱拡散を下げ、閉じ込めを改善することがある。HL-2Aでは、ネオンの注入で励起された端部局在乱流が不純物の外向き対流（対流反転）を生み、持続的な不純物排出と定常的な端部放射層が両立される例が報告されている。一方で、過剰な注入はコア蓄積・燃料希釈・放電終息を招く。したがって、放射能力を高めながらコア蓄積を避けること、すなわち遮蔽・保持とシーディング量の最適化が、現在の不純物物理の中心的課題である。