イオン加熱

イオン加熱（ion heating）とは、核融合プラズマにおいて主としてイオン（燃料核）の温度を直接上げる加熱過程の総称である。プラズマの温度は電子とイオンで別々に定義され、核融合反応率はイオン温度に強く依存するため、イオンをいかに効率よく加熱するかは炉の性能を左右する中心的な課題である。水素プラズマでは電子とイオンの間のクーロン衝突による温度平衡が遅く、外部から入れたパワーが電子にばらつくとイオン温度はなかなか上がらない。そこで、中性粒子ビームやイオンサイクロトロン共鳴など、イオンに直接エネルギーを渡す手段が開発されてきた。以下では、なぜイオン加熱が重要か、主要な加熱法の物理、その他の新興手法、そして加熱パワーのイオン・電子への配分という問題の順に述べる。

なぜイオン加熱が核融合で重要なのか

核融合の出力は燃料イオン間の反応率で決まり、反応率はイオン温度の高い冪で増える。したがって点火を狙う装置では、電子ではなく燃料イオン自身を効率よく加熱できることが本質的に有利である。さらに、イオンチャネルの輸送は一般に電子チャネルより小さく、イオン主導の加熱はエネルギー閉じ込めの改善をもたらすことが多くの実験で示されている。例えば高エネルギー中性ビーム加熱では、低密度・高原子番号不純物（アルゴンやネオン）を少量混ぜたプラズマでビームの直接イオン加熱割合が増え、イオン温度10 keV級が達成されている。これは、ビーム吸収が増えることに加え、イオン密度の低下と輸送の改善が効いた結果である。

イオン加熱の重要性は「臨界エネルギー」という概念からも理解できる。高速イオンがクーロン衝突でエネルギーを失うとき、その速度が臨界エネルギーより低ければイオンに、高ければ電子にエネルギーを渡しやすい。つまり、加熱されて生まれた高速イオンの平均エネルギーを臨界エネルギー以下に抑え、吸収領域を広げて局所的なパワー密度を適度に保つことが、燃料イオンへの伝達効率を高める鍵となる。この観点は後述の高周波加熱シナリオ設計の指導原理になっている。

代表的な加熱状況を示すのが次の図である。トカマク断面における磁束等高線（破線）とプラズマ密度分布（色）の中に、重水素の第3高調波イオンサイクロトロン共鳴層（青線）が描かれている。

図に見える共鳴層のように、イオン加熱では「共鳴面」と呼ばれる特定の磁場面でエネルギーが局所的に供給される。供給されたエネルギーがその後どう輸送・分配されるかが、装置全体の性能を決めることになる。

中性ビーム入射加熱

中性ビーム入射（NBI）加熱は、最も直接的なイオン加熱法である。装置の磁場は荷電粒子を閉じ込められないため、水素（または重水素・三重水素）イオンを加速した後、中性化セルで中性原子に戻してから入射する。中性原子は磁場を素通りしてプラズマ中で電離され、高速イオンとして捕らえられ、クーロン衝突によって背景プラズマへエネルギーを渡す。ビームエネルギーが臨界エネルギーより十分高ければ、減速過程でエネルギーの大半は電子に渡る。このため高エネルギー（負イオン源）NBIでは電子加熱が支配的になりやすい一方、低密度プラズマではビームの直接イオン化・加熱割合が上がり、イオン加熱効率が改善する。低磁場トカマクでの磁場井戸構造による加熱効率改善の研究や、ビーム入射時の熱イオン分布関数の歪み（非マクスウェル化）の研究は、この「高速イオンを介した間接加熱」という性格を反映したものである。またNBIは加熱と同時に電流駆動もできるため、NCSTなどでのパラメータ研究のように、加熱効率と電流駆動効率の両面から運転条件が最適化される。

イオンサイクロトロン共鳴加熱とそのシナリオ

イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）は、イオンのサイクロトロン周波数（磁場中でのラーモア回転の周波数）に一致した周波数の電波をアンテナから入射し、共鳴面でイオンに直接エネルギーを渡す方法である。イオンと波の共鳴機構でイオンを直接加熱できる唯一の手法であり、しかも高速波は高密度プラズマのコアまで高密度カットオフなしに到達できる。国際熱核融合実験炉（ITER）では40–55 MHzの周波数帯で5–20 MW級のアンテナが計画されており、主要な補助加熱法の一つである。

共鳴吸収の効率は波の偏波（電場の回転方向）で決まる。基本共鳴（n = 1）では、主イオンのサイクロトロン運動と同方向に回転する電場成分だけが吸収されるが、通常の低磁場側アンテナから入射した波はプラズマ中で偏波が回転し、主イオン基本共鳴での吸収が得られにくい。そこで標準的な解法が少数イオン加熱である。D–T主プラズマに少量のヘリウム3（3He）を吹き込み、その基本共鳴で波を吸収させ、加熱された少数イオンがクーロン衝突で主イオンへエネルギーを渡す。少数イオンの平均エネルギーを臨界エネルギー近傍に保てば主イオンへの伝達割合が上がるため、吸収パワー密度を適度に分散させることが最適化の要点となる。次の図は、ITER想定のD–Tプラズマに装置上部からアンテナ（トップランチャー）を設置して34 MHzの波を入射した場合の波動計算結果である。

左図は回転電場成分の空間分布で、アンテナから出た波線がプラズマ中心へ到達し、重水素共鳴層（青線）付近で電場が集中している様子が分かる。右図は重水素によるn = 1サイクロトロン減衰によるパワー吸収で、吸収がコアの狭い領域に集中している。このようにアンテナ位置やトロイダルモード数の選択によって、主イオン基本共鳴での直接加熱の実現可能性が評価されている。

ICRHのシナリオは共鳴の次数と対象種で分類される。基本共鳴少数イオン加熱のほか、三重水素の第2高調波加熱（ITER燃焼プラズマの主シナリオとされる）、重水素ビームで生まれた高速イオンを第3高調波でさらに加速するNBIとの相乗シナリオなどがある。高調波加熱は単独では吸収が弱いが、NBIが作る高速「種イオン」があれば単一パス吸収効率が大きく上がり、例えば0.3 MW級の高周波入力で中性子収率が約7割増えた実験結果が報告されている。また、ベリリウムやリチウムのような軽不純物を第3種として加える三イオン加熱シナリオでは、原子量が大きい分だけ臨界エネルギーがヘリウムの約3倍になり、燃料イオンへの伝達割合をさらに高められる可能性が提案されている。

少数イオン濃度は吸収配分を左右する重要なパラメータである。次の図は、3He濃度を1%から20%まで変えたときの各粒子種への吸収パワー割合（上）と、イオン・イオン混成共鳴層やLカットオフ層の位置（下）を示す。

上の図から、3Heイオンが全吸収の7〜9割を担い、電子への直接吸収は濃度が高いほど増える一方、主イオン（D、T）への直接吸収はほぼゼロであることが読み取れる。下の図は、濃度を変えると混成共鳴層が共鳴層の位置に対して横切ることを示し、濃度選択が波の伝播構造と吸収機構の両方を変えることを物語っている。

その他の新興イオン加熱法

高周波・ビーム以外のイオン加熱として、まず磁気再接続加熱が挙げられる。二つのトロイダルプラズマを合体させる球状トカマクのマージング起動では、再接続によって磁気エネルギーがプラズマ熱エネルギーへ変換され、メガワット級のパルス加熱が得られる。この加熱の本質は、再接続のX点から噴き出す高速プラズマ流（アウトフロー）の運動エネルギーが下流で熱化することである。電子はX点近傍の電流シートでの抵抗性散逸で局所的に加熱されるのに対し、イオンはアウトフローの下流で広範囲に加熱され、加熱エネルギーの大半をイオンが受け取る。加熱量は再接続磁場成分の2乗に比例する（ΔTi ∝ Brec²）というスケーリング則が実験・粒子シミュレーション・理論の一致で確立されており、装置サイズによらず再接続磁場だけで決まる。この則に基づき、再接続磁場約0.15 Tでイオン温度約1.2 keVが達成され、より高磁場の装置では1–10 keV域が目指されている。次の図は、マージング起動における再接続加熱の幾何と、イオン温度分布の時間発展を示したものである。

左上の模式図が示すように、X点の両側のアウトフロー領域でイオンが加熱され、半径方向に二峰性のイオン温度分布が形成される。右側の時系列図は、マージング終了後も中空のイオン温度分布が保たれる様子をイオン・ドップラー断層撮像で捉えたもので、強いトロイダル磁場（ガイド磁場）下では垂直方向の熱輸送が強く抑えられるためこの分布が持続する。

このほか、遷移時間磁気ポンピングによるトカマクイオン加熱、ヘリカル系での磁気面圧縮加熱、減衰するスフェロマクの緩和によるイオン加熱・電流駆動、ヘリコン源でのイオン加熱、高マッハ数衝撃波でのイオン加熱など、多様な機構が研究されてきた。太陽風や磁気再接続実験（RFX-modなど）での異常イオン加熱・乱流加熱の研究は、核融合以外のプラズマとも共通する基礎物理である。また、高周波駆動シース中のパラメトリック共鳴による異常イオン加熱のように、プラズマ処理分野でも同種の現象が問題になる。

バルクイオン加熱割合とエネルギー配分

イオン加熱の「質」を測る指標が、入力パワーのうち燃料イオン（バルクイオン）に最終的に渡る割合、すなわちバルクイオン加熱割合である。ICRHでは、波が電子に直接吸収される経路（ランダウ減衰など）と、加熱された高速イオンが減速する際に電子へエネルギーを渡す経路の二つが常に競合するため、少数イオン加熱では主イオンへの伝達割合が全パワーの半分を下回ることが多い。ITERの立ち上げ初期を想定したシミュレーションではバルクイオン吸収割合は約50%と評価される一方、3He少数イオンシナリオを燃焼相まで含めて評価すると約70%のバルクイオン加熱割合が得られ、純電子加熱シナリオに比べて定常性能が約3割改善するという輸送シミュレーション結果が報告されている。イオンチャネルの輸送が小さいことは、点火への到達経路の制御性を高めることにもつながる。

バルクイオン加熱割合は閉じ込め性能そのものにも影響する。Tore Supraでの少数イオン濃度掃引実験では、バルクイオン加熱の増大がエネルギー閉じ込めの改善とプラズマ回転への強い影響を伴うことが示された。また、加熱パワーの電子・イオンへの配分が変わると乱流輸送の応答も変わるため、コールドパルスに対するプラズマの局所応答の研究のように、電子加熱とイオン加熱を区別した輸送物理の理解が進められている。イオン加熱とは、単にイオン温度を上げることではなく、高速イオン生成から衝突緩和、輸送に至るエネルギーの流れ全体を設計する問題なのである。