JIPP

JIPPは、名古屋大学プラズマ研究所（後に核融合科学研究所）で運用された一連の核融合実験装置の総称である。装置名は「ジャイロトロン・アイソトープ・プラズマ」を略したものではなく、研究施設の略称に由来する。JIPPシリーズは、ヘリカル（ステラレータ）磁場とトカマク磁場の両方を同一の真空容器上で実現できるハイブリッド型装置として設計された点に特色があり、JIPP Ia、JIPP Ib、JIPP T-II、JIPP T-IIUと世代を重ねながら、1970年代から1990年代にかけて日本の磁場閉じ込め核融合研究、とりわけ高周波加熱と揺動・輸送研究の拠点となった。

装置と歴史

JIPPシリーズの出発点は、ℓ=3コイルを用いた小型ステラレータJIPP Iaである。ここでは対流輸送と増強された密度揺動が閉じ込め特性を支配していることが見出され、後の大型装置での研究の基礎となった。続くJIPP Ibはℓ=2とℓ=3のコイル配置を組み合わせることで磁場構成を変えられるようにした装置であり、プラズマ輸送が磁場形状にどう依存するかを系統的に調べる実験が行われた。

シリーズの本格的な発展形がJIPP T-IIである。これはステラレータ磁場コイルとトカマク用の中央ソレノイド・一次コイルを併設し、同じ容器でヘリカル閉じ込めとトロイダル電流による閉じ込めの両方を実現した。さらに改造によってJIPP T-IIUとなり、トカマク運転を主軸としつつ、高周波加熱と電流駆動、プロファイル制御の実験が集中的に行われた。装置規模は大型トカマクに比べれば小さいが、その分だけパラメータ掃引が容易で、加熱方式の比較や揺動の詳細測定のような、機敏な実験を要する研究に適していた。

ハイブリッド装置としてのステラレータ運転とトカマク運転

JIPP T-IIの最大の特徴は、同一装置で二つの閉じ込め方式を切り替え・比較できたことにある。ステラレータ構成では外部コイルだけで回転変換を持つ磁場面を作るため、プラズマ電流が不要であり、定常運転に近い条件での閉じ込め研究が可能になる。一方、トカマク構成ではプラズマ自身に誘起したトロイダル電流が閉じ込め磁場の一部を担う。JIPPではオーム加熱されたℓ=2ステラレータ・プラズマの閉じ込めスケーリング則が求められ、トカマクのスケーリングと直接比較された。これは、電流を担う粒子と熱を担う粒子が同じであるトカマクと、そうでないステラレータの輸送物理の違いを調べるうえで貴重なデータとなった。

また、ステラレータ運転では大破壊（ディスラプション）が ι/2π が約0.14を超えると抑制されることが示された。回転変換 ι が小さい、すなわち磁場のねじれが弱い領域ではm=2/n=1のような外側の磁気島が成長しやすいという、トカマクのq値制限に対応する安定性の知見を、ステラレータ側のパラメータで確認できたことは、ハイブリッド装置ならではの成果である。

補助加熱：NBI、ICRF、ECH、下部混成波およびイオン・ベルン波

JIPPシリーズでは、当時の主要な加熱法をほぼすべて試み、同じ装置・同じ条件でその特性を比較できたことが特筆される。中性粒子ビーム入射（NBI）、イオン・サイクロトロン周波数帯の高周波加熱（ICRF）、電子サイクロトロン加熱（ECH）、下部混成波加熱（LHH）、そしてイオン・ベルン波加熱である。

ECHは初期の段階から実用化が進められた。電子サイクロトロン周波数（35.5 GHz、出力36 kW）のマイクロ波を通常モードで入射した実験では、中心電子温度の上昇から加熱効率1.6 eV/kWが得られ、パワー収支からマイクロ波の吸収率は約50%と見積もられた。また、放電開始前の予備電離にECHを用いると、初期ブレークダウン時のループ電圧が下がり、逃走電子に起因するスパイク状のX線放出が消えることも分かった。マイクロ波加熱は電流を必要としないため、ステラレータ・プラズマの加熱法として特に自然な選択であった。

ICRF加熱では、水素少数種プラズマの濃度を変えた三つの条件（低濃度水素少数種、高濃度水素少数種、ヘリウム3少数種）が比較された。最良の加熱効率は³He少数種の場合に得られ、水素少数種ではイオン温度の上昇がある入力パワー密度で頭打ちになる現象が見られたのに対し、³He少数種では実験範囲（最大入力180 kW）でそのような劣化が現れなかった。高濃度水素少数種の場合の沈着プロファイルの違いは、局所的なキャビティ・モードの存在で説明された。このほか、イオン・サイクロトロン高調波での高速波加熱や、イオン・ベルン波加熱も有望な加熱法として開発された。イオン・ベルン波は短波長の静電波であり、密度の高いプラズマの中心加熱に適するとされた。

電流駆動については、下部混成波を低密度プラズマに入射することでRF駆動電流が発生することが確認された。駆動効率はトカマク構成で1 kA/kW、ステラレータ構成で0.3 kA/kWであり、駆動電流を担うのは8〜25 keVの超高熱電子であることが示された。この実験では、異常ドップラー共鳴で励起される不安定波による超高熱電子のピッチ角散乱が、電子サイクロトロン放射の増強、ループ電圧スパイク、X線バーストとして観測され、長パルスでは緩和振動へ発展することが分かった。RF駆動電流の非線形な振る舞いを直接見た初期の例として重要である。

閉じ込め、揺動と輸送

JIPP T-IIUでは、閉じ込めを支配する揺動の直接測定が進められた。中心部の局所電位と密度揺動を測定できる重イオンビームプローブ（HIBP）が整備され、ガスパフによる較正を経て、閉じ込め改善の前後で揺動特性が遷移することを捉えた。また、ドリフト波から帯状流（ゾーナルフロー）およびゲオメトリック・アコースティック・モード（GAM）が生成される過程が、フーリエ解析とウェーブレット解析によって調べられた。帯状流は乱流輸送を自ら抑制する平均流の変調であり、その生成・飽和機構を観測できたことは、乱流―流れ相互作用の研究における重要な貢献である。

エッジ領域では、リミターHモード遷移に対するエッジ磁気シアの役割が調べられた。また、ヘリウム線の分光測定によりエッジ・プラズマの性質が、可視分光による空間・時間分解測定により高密度領域の不純物挙動が調べられた。運動量を伴う中性粒子ビームの発光に現れる運動によるスターク効果（モーショナル・スターク効果）の分光測定は、磁場方向や電場の局所診断として確立された。ペレット入射（凍結水素ペレットの高速注入）の実験では、急速な冷却現象とともにプラズマ電位の大きな変化が観測され、ペレット摂動が粒子閉じ込めと電位構造に与える影響が明らかにされた。

ディスラプション、密度限界とプロファイル制御

トカマク運転におけるディスラプション研究はJIPP T-IIの重要なテーマであった。軟X線撮像による観測から、高密度ディスラプションでは部分ディスラプションの前にm=3/n=2モードと2/1モードが同定されるが、その擾乱は限定的で中心部には及ばないこと、一方で低qディスラプションでは3/2モードの成長が1/1モードによる軟X線プロファイルの再構成につながることが示された。大破壊の本質は中心部の急激な熱クエンチであり、その最終段階では高密度・低qのいずれの場合も1/1モードが決定的な役割を果たすことが明らかになった。ソフトな大破壊とハードな大破壊の区別も、プロファイル制御実験との関連で調べられた。

これらの知見は、ガスパフのプログラミングとプラズマ電流波形の制御によってプラズマ・プロファイルを能動的に整形するという方針に結び付けられた。実際、JIPP T-IIではプログラム化したガスパフと電流の二次立ち上げによって、大破壊を起こさない安定な高密度プラズマが得られた。プロファイル制御は不純物の侵入を抑え、m=2モードの成長を抑制するのに有効であることが示され、密度限界やディスラプションを「避ける」運転という、後の大型装置で本格化する制御の考え方を先取りするものであった。さらにJIPP T-IIUでは電流立ち上げ実験も行われ、起動時のバルク・プラズマの加熱とリターン電流の物理像が得られた。