JFT-2M

JFT-2Mは、日本原子力研究所(現・量子科学技術研究開発機構)那珂研究所が運用した中型トカマク実験装置である。1983年から2004年まで運転され、主要目的はHモードなど改善閉じ込めモードの物理理解と、核融合炉で想定される低放射化フェライト鋼とプラズマの両立性の実証にあった。大型装置JT-60の研究成果と密接に連携しながら、炉心プラズマと端部プラズマの橋渡しとなる研究を数多く展開した。

装置と研究の位置づけ

JFT-2Mは、トロイダル磁場約2テスラ級、プラズマ主要半径が1メートル強という中型のD型断面トカマクであり、中性粒子ビーム入射と高周波加熱を主な加熱手段として用いた。中型装置であることは、逆にパラメータ掃引の柔軟性と計測の高密度化を可能にし、Hモード遷移の物理過程を空間的・時間的に分解して観測するには好適な実験環境を提供した。

研究の柱は三つに整理できる。第一に、Hモードの端部輸送障壁の形成機構、特に半径方向電場とそのシアが輸送を抑制する過程の計測である。第二に、ELM(エッジ局在モード)の制御や、大きなELMを伴わずに高密度・良好閉じ込めを保つ定常Hモード領域の探索である。第三に、先進材料トカマク実験(AMTEX計画)と呼ばれる一連の研究で、核融合デモンストレーション炉の候補材料である低放射化フェライト鋼を実際に装置に導入し、プラズマとの両立性を段階的に検証した。これらはいずれも、JT-60Uで得られた知見との相互比較を前提とした研究であり、JFT-2Mの結果は大型装置の解釈と炉設計への外挿の両方に寄与した。

Hモード物理と端部輸送障壁

Hモードとは、加熱出力が閾値を超えるとプラズマ端に輸送障壁が形成され、粒子・エネルギーの流出が急減して閉じ込めが改善する運転モードである。JFT-2Mでは、この遷移の瞬間の物理を詳細に追う研究が中心的課題であった。

鍵となったのは、端部の半径方向電場とそのシアの計測である。重イオンビームプローブや分光計測により、遷移に伴って端部に強い電場シア層が数ミリメートル程度の厚さで形成されることが示された。このE×B速度シアが乱流を剪断して輸送を抑制するという描像は、端部のシア層厚さや電場構造の実測を通じて定量的に検証された。また、遷移の際に中性水素のエネルギー分布が急変すること、端部の電位揺らぎの二乗平均スペクトルが変化することが観測され、遷移が端部の粒子・エネルギー輸送の広範な再編成を伴うことが確認された。

さらに、端部の電位揺らぎのスペクトル解析から、ジャイロ周波数よりはるかに低い、測地音響モードの周波数帯に一致するコヒーレントな揺らぎ成分が観測された。測地音響モードは端部の乱流を変調し得る振動モードであり、輸送障壁形成との関連から国際的に注目されるテーマであった。JFT-2Mでの観測は、このモードの実在と端部電場構造との結びつきを実験的に示すものとなった。また、反射計による密度揺らぎ計測やX線放射の半径分布計測など、端部と炉心を同時に見通す診断の整備も進められた。

ELMの制御とELMフリー高密度領域

Hモードの実用上の難点は、端部に蓄積した粒子とエネルギーがELMと呼ばれる周期的な爆発的放出で吐き出されることにある。JFT-2Mでは、ELMの性質の解明と、それを伴わない定常Hモードの探索が進められた。

ELMの制御面では、らせん状の磁場擾乱を外部から印加することでELM活動を能動的に誘起し、ELMの繰り返しを制御した定常Hモード運転を実証した。これは、大型装置でのELM制御研究の先駆となる手法である。また、誤差磁場(意図しない磁場の乱れ)がHモード遷移の閾値出力に影響を与えることも示され、磁場品質が端部輸送障壁形成に実質的な役割を持つことが明らかになった。

一方、ELMを完全に消し去ったまま良好な閉じ込めを保つ領域として、高リサイクリング定常(HRS)Hモードが発見された。ホウ素化した第一壁条件下で、グリーンウォルド密度の約7割という高密度において、H89P係数で約1.6という良好なエネルギー閉じ込めを維持しながら、大きなELMが完全に消失する。この領域では、10〜100キロヘルツ帯のコヒーレントな磁気揺らぎが壁面の磁気プローブに観測され、これが粒子輸送を担うことで端部の蓄積を避けていると考えられた。この特徴は、米国Alcator C-Modで報告されていたEDA Hモードと類似するが、HRSは低q95(2〜3)の領域でも成立する点で異なる。さらに重要なことに、HRSの端部条件は炉心の改善閉じ込めと両立し、内部輸送障壁を形成させた状態で正規化ベータ約3、H89P係数で約6という高性能を一時的に達成した。大ELMなしで高密度・高性能を両立するこの結果は、ELM抑制が炉にとって必須課題であることを踏まえ、広く参照されることになった。

閉鎖型ダイバータと粒子制御

炉の排気・粒子制御性能を左右するダイバータの研究もJFT-2Mの重要な柱である。ダイバータ室を囲い込んで中性粒子の漏れを抑える閉鎖型ダイバータを導入し、ダイバータ室への強いガスパフを加えると、放射の局在化、ダイバータ室内の高い中性圧力、炉心への燃料供給の抑制というバッフリング効果が顕在化することが示された。その結果、ダイバータプラズマを高密度(約4×10^19 m^-3)かつ低温(約4 eV)の「高密度・低温」状態にでき、これが改善閉じ込めモードと共存しうることが確認された。炉心の閉じ込めはグリーンウォルド密度の7割程度までの高密度域でほとんど劣化しなかった。さらに、スクレイプオフ層にバイアスを印加してE×B流や電流を制御するとバッフリング効果が強化され、端部流動がダイバータ性能を調整する手段になりうることが示された。高密度・低温ダイバータは、炉壁への熱負荷と不純物侵入を同時に抑える炉設計の基本方針であり、その実現可能性を中型装置で実証した意義は大きい。

フェライト鋼壁とリップル低減(AMTEX計画)

核融合炉の構造材料には、中性子照射後の放射化が低く、廃棄物管理が容易な低放射化フェライト鋼が有力候補とされている。しかし強磁性体をトカマクの真空容器内に置くことは、トロイダル磁場のリップル(周方向の磁場強度のむら)を変化させ、高速イオンの損失やプラズマ制御への影響が懸念された。AMTEX計画は、この懸念を実験で決着させることを目的とし、段階的に進められた。

第一段階では、トロイダル磁場コイルと真空容器の間にフェライト鋼板を挿入した。フェライト鋼の高い透磁率が磁場を引き寄せることでリップルが低減され、鋼板の厚みを最適化して内壁肩部の基本モード・リップルを0.07%まで下げると、接線方向の共入射中性粒子ビームで生成された高速イオンのリップル捕獲損失はほぼ無視できるレベルまで減った。垂直入射ビームでも同様の低減が確認され、鋼板挿入がプラズマの生成・制御に悪影響を与えないことも確かめられた。三次元磁場構造を厳密に扱う高速イオン損失計算コードが開発され、その予測は実験とよく一致した。

第三段階では真空容器内壁を全面的にフェライト鋼板で覆った。この状態でもプラズマ生成、不純物放出、運転領域、Hモード特性に負の影響は観測されず、内部輸送障壁と定常Hモード端部を併せ持つ正規化ベータ約3の高ベータプラズマが得られた。鋼板の厚み分布の最適化により、リップル捕獲損失の熱負荷は鋼板なしの0.26 MW/m^2から0.01 MW/m^2未満へと劇的に低減された。強磁性材料がトカマクプラズマと十分両立し、むしろリップル低減に活用できるというこの一連の実証は、デモンストレーション炉以降の炉構造材料の選択を支える実験的根拠となった。

JFT-2Mは2004年に運転を終えたが、Hモード端部物理、ELMフリー高密度運転、閉鎖型ダイバータ、磁性材料との両立性という各分野で残した知見は、JT-60Uや国際的なトカマク研究、そして炉設計へと引き継がれた。