イオンサイクロトロン加熱

イオンサイクロトロン共鳴加熱（Ion Cyclotron Resonance Heating、ICRH、またはイオンサイクロトロン周波数帯加熱 ICRF）は、磁場閉じ込めプラズマに対する主要な外部加熱法の一つであり、イオンのサイクロトロン周波数（数千万ヘルツ程度）の電磁波をアンテナから入射し、共鳴機構によってイオン運動エネルギーを直接増大させる方法である。中性ビーム入射や電子サイクロトロン加熱と並ぶ補助加熱の柱であり、ITER では 40–55 MHz の周波数帯で 1 台あたり 5–20 MW を放射するよう設計されたアンテナが計画されている。波を共鳴層まで伝播させるには速波（fast wave）を用いる。速波は高密度プラズマ中に高密度カットオフなしで侵入できるため、密度の高いプラズマ中心部までエネルギーを届けられる点がこの方法の本質的な強みである。

原理と共鳴物理

イオンは磁場中でサイクロトロン運動を行い、その周波数は電荷と磁場強度で決まり、質量に反比例する。水素の同位体やヘリウムなどの不純物種はそれぞれ異なる共鳴周波数を持つため、入射波の周波数とトロイダル磁場の分布を組み合わせることで、共鳴層の位置をプラズマ断面内の任意の場所に置くことができる。共鳴層では、イオンのサイクロトロン運動と波の回転電場が位相をそろえて相互作用し、イオンはサイクロトロン位相を周期的に追い越されるたびにエネルギーを得る。この過程は衝突を介さずに直接イオンを加熱する点で特徴的であり、電子加熱を経由しないため、燃焼到達に必要な外部加熱電力を低減できると期待されている。

共鳴で加速されたイオンは熱化する前に高エネルギー尾部を形成する。この尾部イオンがクーロン衝突でエネルギーを渡す先は、そのエネルギーが臨界エネルギー（電子とイオンへの衝突的エネルギー分配が等しくなるエネルギー）より低いか高いかで決まる。臨界エネルギー以下の尾部イオンは主に背景イオンにエネルギーを渡すため、効率的なイオン加熱には、局所的な吸収電力密度を適度に抑え、吸収領域を広げて尾部イオンの平均エネルギーを臨界エネルギー近傍以下に保つことが望ましい。逆に尾部が高エネルギー化しすぎると電子への加熱割合が増えるだけでなく、高速イオン起因の不安定性を誘発して損失や壁材料損傷の原因となる。