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。

アンテナから入射された波は、まずスクレイプオフ層（SOL）を通過してプラズマ本体に到達する必要がある。アンテナ前面の密度が速波のカットオフ密度を下ぎる領域（エバネッセント層）では波は指数関数的に減衰するため、カットオフ層とアンテナの距離が結合効率を決める。図はこの入射系の物理的構成を示すものである。

図は(a)にトロイダル面内での下部混成波（LHW）アンテナと ICRF アンテナの配置、(b)に EAST の ICRF アンテナ近傍の SOL 磁力線のトポロジーを示す。アンテナから出た磁力線がリミターや壁に接続する様子が描かれており、アンテナ前面のプラズマ状態が壁側の現象と磁力線で直結していることが分かる。

加熱シナリオ

共鳴するイオン種とその高調波の選び方によって、いくつかの標準的な加熱シナリオが使い分けられている。最も広く用いられるのは少数派加熱（minority heating）である。これは主成分（例えば重水素）にごく少量の別種イオン（例えばヘリウム3）を混ぜ、その基本共鳴周波数で波を入射するものである。少数派イオンは共鳴でほぼすべての波電力を吸収し、クーロン衝突によって主成分にエネルギーを分配する。少数派の濃度が低いほど単一イオンあたりの吸収エネルギーが大きくなり尾部が伸びるため、濃度の制御が加熱効率の鍵となる。ITER の燃焼プラズマでは三重水素の第二高調波加熱が主方案とされる一方、初期の密度・温度が低い立ち上げ段階では高調波加熱が弱いため、少量のヘリウム3を D–T プラズマに注入する少数派加熱が支配的となる。

第二の系統は高調波加熱であり、共鳴周波数の整数倍で波を入射する。基本共鳴に比べ吸収は弱いが、不純物種を追加することなく主成分を直接加熱できる利点がある。第三に、三イオンスキーム（three-ion scheme）と呼ばれる方法がある。これは D–T プラズマにベリリウムやリチウムなどの不純物（あるいはヘリウム3）を少量加え、その共鳴を利用するものである。原子量の大きい種は臨界エネルギーが高いため（例えばベリリウムの臨界エネルギーはヘリウムの約3倍）、尾部イオンのエネルギーが燃料イオン側に分配されやすく、燃料イオン加熱の割合を大きくできるとされる。また、共鳴層の位置を周波数掃引や磁場制御で動かすことで加熱プロファイルを制御する、モード変換加熱・電流駆動によるプロファイル制御も研究されており、実験結果はまだ予備的段階にある。

アンテナとプラズマ端での波結合

ICRF の波はアンテナから直接放射される。アンテナはトロイダル方向に複数の導体ストラップを持ち、それらに与える電流位相（アンテナ位相）によって放射する平行波数スペクトルが決まる。位相を制御することで、加熱用の対称スペクトルから電流駆動用の非対称スペクトルまでを選択できる。アンテナの結合性能は負荷抵抗（結合抵抗）で評価され、これはアンテナとカットオフ層の距離に対して指数関数的に減少する。実験では、結合抵抗が距離の指数関数で記述される関係が理論計算とよく一致することが確認されている。

したがって、アンテナ前面の密度を高く保つことが結合の要である。最も効果的な手法の一つがアンテナ近傍での中央平面ガスパフであり、ダイバータからのパフと比べて結合抵抗を大幅に増大させる。ASDEX Upgrade や JET の H モードプラズマでは、作業ガスをすべて中央平面からパフした場合に結合抵抗が約2倍に増大することが示され、ITER でのシミュレーションでは、アンテナに磁力線接続のよい位置での中央平面パフが結合抵抗を最大で約2.5倍に増大させると評価されている。また、低プラズマ電流運転や、下部混成波加熱との同時運転も、端部密度分布を変化させることで ICRF 結合の改善に寄与する場合がある。

一方、H モードへの遷移に伴う大規模なエッジ局在モード（ELM）の発生時には、SOL 密度分布の急変によってアンテナ結合が大きく変動し、反射電力の急増が問題となる。ELM のない定常 H モードでは結合は安定する。このため、ELM に対する結合の安定化や、実時間でのアンテナインピーダンス測定に基づく位相制御など、長パルス・高電力運転に向けたアンテナ系の改良が各装置で進められている。

プラズマ応答と吸収物理

プラズマ中に入った速波は、共鳴イオンによる吸収のほかに、電子による直接吸収（ランダウ減衰など）の経路も持つ。イオン加熱の効率は、このイオンと電子の吸収競合で決まる。波の周波数と共鳴層の位置、少数派濃度、プラズマ温度によって吸収配分は大きく変化し、全波コードとフォッカー・プランクコードを組み合わせた数値解析によって、各種への吸収配分と加熱プロファイルが評価されている。周波数を変えると共鳴層の位置が移動し、イオン吸収の局在位置と電子吸収の空間構造がともに変化することが、二次元電力密度分布の計算で示されている。

端部では、アンテナから直接放射される遅波や、SOL 中で遅波に変換された速波が平行電場を生み、材料表面に高周波シース（RF シース）を形成する。電子はイオンよりはるかに速く動くため、高周波電界中のシースは整流され、時間平均された直流的な電位差が熱シースの数倍から数十倍にも増強される。アルカトール C-Mod では、稼働中のアンテナ表面のプラズマ電位が通常の約10 V に対して100 V を超え、条件によっては400 V に達した例が報告されている。この整流された電位は磁力線に沿って遠方まで伝わり、E×B 電場による対流を SOL 中に誘起して密度分布や乱流を変化させる。ASDEX Upgrade では RF シースによる SOL 乱流の減衰が観測され、EAST では遠方 SOL の密度プロファイルと流れの変化がプローブおよびガスパフイメージングで測定されている。

さらに、アンテナ近傍の局所的な平行電場は波束として振る舞い、SOL 中の電子と相互作用する。熱電子はポンデレモーティブ力によるポテンシャル障壁として反射されて密度を減少させるが、下部混成波によって生成された高速電子の速度が波の位相速度に近い場合、遷移時間加速や準トラップ機構によって効率的にエネルギーを得る。この電子加速はシース電位をさらに高め、イオンの加速を通じて壁のスパッタリングを促進する。これらの RF・プラズマ端相互作用は、アンテナに磁力線接続されたプラズマ対向壁のホットスポット、タングステンやモリブデン、ベリリウムなどの高 Z 不純物のプラズマ中心への侵入として観測され、アンテナ表面の平行電場を低減する設計が不純物抑制に有効であることが示されている。

高速イオン効果と炉への関係

共鳴で加速された高速イオンは、加熱の媒体であると同時に炉プラズマでは固有の物理課題を生む。高速重水素イオンは中性子放出の源となり、そのエネルギー分布から加熱効果を診断できる一方、ビーム駆動の ICRF 不安定性や共鳴イオンの異常拡散といった非古典的輸送を引き起こすことが知られている。また、三イオンスキームで生成された MeV 級の高速イオン尾部は、速度空間トモグラフィーなどの手法で直接測定され、加熱シナリオの検証に用いられている。

燃焼プラズマでは、核融合で生成されたアルファ粒子がこの高速イオン物理に重畳する。アルファ粒子が波電力を吸収すると、そのエネルギーは臨界エネルギーを超えているため主に電子に渡り、燃料イオンへの直接加熱効率を下げる。さらに波で加速されたアルファ粒子は不安定性を誘発して高速イオンの損失や壁材料損傷につながる可能性がある。このため、ITER や CFETR、DEMO に向けた ICRF シナリオの評価では、D 少数派加熱、三重水素第二高調波加熱、ヘリウム3少数派加熱、三イオンスキームのそれぞれについて、アルファ粒子の存在が各種への吸収配分に与える影響を評価することが不可欠となっている。中性子線出力の増大を伴う D–3He 系での中性ビームとの相乗効果の評価なども含め、高速イオンの生成・閉じ込め・エネルギー分配の制御が、炉規模装置での ICRF 利用の成否を左右する中心的課題である。