内部輸送障壁

内部輸送障壁（internal transport barrier, ITB）とは、磁場閉じ込めプラズマの中心部に形成される、局所的な熱・粒子輸送の抑制領域である。外周ではなくプラズマ内部に、温度や密度の勾配が急峻になる「壁」ができることで、中心部のイオン温度・電子温度・密度が通常の閉じ込めモードより大幅に高くなる。エッジ輸送障壁（Hモード）がプラズマ境界にできるのに対し、ITBは主に加熱パワーと電流分布の制御によって内部に作られる点が異なる。JT-60U、JET、DIII-D、ASDEX Upgrade、EAST、KSTAR、LHDなど多くのトカマクおよびヘリカル装置で観測されており、高ブートストラップ電流分率と組み合わせた定常・高効率運転、いわゆる先進的トカマク運転の中核的要素と位置づけられている。

定義と特徴づけ

ITBは、温度・密度・流速度の半径方向プロファイルに現れる勾配の不連続性（急峻化）として定義される。その強さは、正規化温度勾配（例えばイオン温度なら $R/L_{T_i}$、$R$ は大半径、$L_{T_i}$ は温度の対数勾配長）、障壁の位置 $\rho_{\rm ITB}$、幅 $W/a$ の三つのパラメータで特徴づけられ、「弱い/強い」「小さい/大きい」「狭い/広い」という言葉で分類される。障壁の形成は、局所輸送係数が低減した領域としても捉えられる。図は、ITB形成の前後でプラズマ圧力・密度・電子温度・イオン温度・安全係数 $q$ の半径プロファイルがどう変化するかを示したものである。

図において、青曲線は形成前（$t=3.55$ s）、赤曲線は形成後（$t=3.75$ s）の平衡プロファイルで、形成後には中心部の圧力・温度が大きく上昇し、影で示した領域（$q=1$ 面の内側付近）に急峻な勾配の領域、すなわちITBが現れている。このようにITB形成はプロファイル全体を再構成し、しばしば中心の $q$ プロファイルを平坦化する。

形成機構：流れの剪断、磁気剪断、有理面

ITB形成の鍵となる物理要素は三つ挙げられる。第一は $E\times B$ 流れの剪断による乱流安定化である。イオン温度勾配モード（ITG）などの微視的乱流は、渦を引き裂くような半径方向の剪断流によってその成長が抑えられ、輸送が低減する。実験的には、障壁形成時の $E\times B$ 剪断率がITGモードの線形成長率と同程度以上になることが複数の装置で確認されている。第二は磁気剪断である。負または低い磁気剪断（$q$ プロファイルが中心で平坦あるいは中心ほど大きくなる配置）は、不利な不安定化の駆動を弱めるとともに $E\times B$ 剪断の安定化効果と相乗的に働く。実際、電子サイクロトロン加熱で作られる電子ITB（eITB）では、中心部の負磁気剪断領域の出現が障壁形成の決定的要素であることが示され、有理 $q$ 面（$q=1.3$–2.3 の範囲）そのものは形成に本質的でないとされた。第三に有理面・磁気島の役割がある。ITBの「足」（外側の端）が有理面上に現れる例が多くの装置で報告されており、磁気島が島の外側の乱流を抑制し、ITB形成に必要な加熱パワーを下げるという観測がLHDでなされている。近年、新古典テアリングモードの磁気島の成長が一定加熱のままLモードからITBへの分岐を直接引き起こすことが実験的に確認され、共鳴磁場摂動による島の制御がITBのトリガーと増強の手段となりうることが示された。

図はHL-2AのITBプラズマにおける $q$・磁気剪断・回転剪断の半径プロファイルであり、中心部で $q$ がほぼ平坦（低磁気剪断）であり、その領域で $E\times B$ 剪断率が大きくなっている様子が見て取れる。

さらに、高速イオン（中性ビーム入射で作られるエネルギーの高い少数種イオン（minority））の役割も重要である。高速イオンは主イオンの希釈を通じてITG駆動を弱めるほか、電磁的非線形効果を通じてゾーナルフロー（$n=0$、周波数零の乱流自己生成流）を強化し、乱流輸送を抑制する。HL-2Aでの解析では、ITBのトリガーは高速イオン希釈によるが、いったん形成された障壁は、障壁自身が作る強い圧力勾配が大規模MHD揺らぎを安定化側へ働かせ、そこからエネルギーを奪ったゾーナルフローが乱流を抑えるという「自己持続」機構で維持されると提案されている。このように、形成のトリガーと持続の機構が異なりうる点は近年の理解の重要な進展である。

イオン・電子・密度ITBと装置間比較

ITBは輸送チャネルごとに独立に形成されうる。イオン温度ITBでは、大装置でイオン熱輸送が新古典輸送レベルまで低減した例が報告されており、LHDの重水素実験では中心イオン温度10 keV級のプラズマが得られている。電子熱輸送は一般に新古典輸送よりはるかに大きく、その抑制は燃焼プラズマの維持に直結する難題である。TCVでは強い電子サイクロトロン加熱によりeITBが作られ、Lモード比で3〜6倍の閉じ込め改善と70%を超えるブートストラップ電流分率が達成された。密度ITBも電子温度ITBと位置・勾配の強い相関をもって観測される。ヘリカル装置（LHD、Heliotron J）では、トカマクと異なり $q$ が単調に減少する通常配置でもITBが形成され、磁気剪断の符号が形成の絶対条件でないことを示している。またLHDでは水素と重水素の比較により、重い同位体の方がイオンITBが強くなる同位体効果が系統的に確認されており、これは単純なスケーリング理論や乱流シミュレーションの予測と逆の方向の効果である。

図はLHDにおける水素・重水素プラズマのイオン温度プロファイル比較で、重水素（上段）では低密度ITB放電がLモード参照プロファイルから大きく乖離した高い中心温度（約5 keV超）を示すのに対し、水素（下段）では乖離が小さい。同位体効果が障壁強度そのものに現れている例である。

動力学、MHD相互作用と制御

ITBは静的な構造ではなく、形成・成長・崩壊という動的な振る舞いをする。形成初期には障壁の位置が定常状態のそれより内側に現れ、半径方向へ伝播しながら成長することがある。MHD不安定との相互作用は双方向的である。高速イオンが駆動するフィッシュボーン不安定は、中心電流分布を再接続によって再分布させ $q_0\approx1$ にクランプすることでITB形成の前提を作ると同時に、非線形発展の過程で $q=1$ 面近傍に $E\times B$ ゾーナルフローを誘起し、その剪断率が主要な微視的不安定の成長率を上回ることでITBをトリガーする。逆にITBの成長に伴うブートストラップ電流の増加や高速イオン分布の広がりはフィッシュボーンを安定化させ、ITB後期には不安定が消える。このような相互依存関係はEASTやASDEX Upgradeで観測されている。一方、新古典テアリングモードの島は多くの場合ITBを終端させるが、JETでは高速イオンやアルフヴェン固有モードとの非線形相互作用を通じてITBを改善した例もある。また、障壁領域では運動量輸送・不純物輸送の非拡散項（対流項）が顕著になり、その符号が障壁形成とともに反転することがヘリカル装置で報告されており、温度曲率の自発的変化など非局所輸送もプロファイル形成に寄与する。制御の面では、加熱・電流駆動の位置とタイミング、$q$ プロファイルの操作、磁気島の意図的な制御などがITBの位置・強さ・持続の操作手段となる。

定常炉運転に向けたITB

ITBが炉設計において魅力的なのは、強い圧力勾配が生む大きなブートストラップ電流によって、外部電流駆動を最小限に抑えた定常運転が原理的に可能になるためである。約9基のトカマクの実験情報に基づく国際ITBデータベースの解析から、障壁出現の必要条件が理論モデルと比較して検討され、複数装置（およびヘリカル装置13基を含む詳細）の知見が整理された。課題は、(1) 障壁の形成と維持に必要な外部トルクや加熱パワーの低減——外部入射トルクによる $E\times B$ 剪断は炉では効きにくい——、(2) 電子熱輸送の抑制、(3) 障壁とエッジ障壁（ELMy Hモード）の両立、(4) MHD安定性（バルーニングモードなど）との整合、である。低回転・高ポロイダルベータ領域での電子ITB形成には閾値的な性質が見られ、DIII-Dでは $\beta_P>1.9$、EASTでは $\beta_P\approx2$–2.2 を超えると電子温度の剛性が破れて電子ITBが形成されることが統計的に示されている。完全超伝導コイル装置KSTARでは、電流立ち上がり期に全中性ビーム出力を早期注入してLモードのままITBを形成し、約7秒間維持することに成功しており、これは全超伝導トカマクで初の定常的ITBである。このように、ITBは単なる高性能化の手段ではなく、自己組織化的な電流・圧力プロファイル制御を通じた定常炉運転への主要な道筋と考えられている。