キンクモード

キンクモード（kink mode）とは、磁場で閉じ込められたプラズマ柱が、その柱を貫く電流自身が作る磁場によって柱の軸から外へ「たわむ」ように変位する磁気流体力学（MHD）不安定モードである。柱を曲げると電流の作る磁気圧の分布が非対称になり、曲がりをさらに増長する向きの力が働くため、電流がある臨界値を超えると変位は指数関数的に成長する。トカマクでは断面内のモード番号 m と周方向のモード番号 n で分類され、特に m/n = 1/1 の内部キンクモードと、プラズマ表面を変位させる外部キンクモードが、性能限界や放電破壊に直結する最重要の長波長MHD不安定性として研究されてきた。

図は、壁で安定化された回転するエッジキンクモードに対して制御コイルが作る半径方向磁場の位相分布を示したもので、プラズマ断面の外周に沿って m = 1 の変位の空間形状が描かれている。このようにキンクモードはプラズマ柱全体がらせん状にずれる変位モードであり、その変位の位相が時間とともに回転するのが普通である。

内部キンクモードと鋸歯状振動

トカマクの中心部では、安全係数 q（磁力線が一周する間に周回する回数の逆数に相当する量）が 1 を下回ると m/n = 1/1 のキンクモードが不安定になる。中心電流が増えて q = 1 面が形成されると、コアのプラズマが螺旋状に変位し、磁気面がつながり合って再結合が起きる。この再結合によって中心の温度と電流分布が急速に平坦化されるのが鋸歯状振動（sawtooth oscillation）であり、キンクモードの非線形発展がその物理的実体である。カドムツェフ（Kadomtsev）による古典モデルでは、q = 1 面の内側と外側の磁気面が完全に再結合して電流分布が平坦化されるとされ、初期の小型トカマクの観測と整合した。