Lモード

Lモード（L-mode、low confinement mode、低閉じ込めモード）とは、トカマク磁気閉じ込めプラズマにおいて最も基本的な運転状態を指す。加熱入力を上げてもエネルギー閉じ込めが比例して向上しない、いわば「普通の」閉じ込め状態であり、プラズマ全体が乱流輸送によって支配されていることが特徴である。1982年にASDEX装置で高閉じ込め状態（Hモード）が発見された際、従来の状態と対比するために名付けられたのがこの呼び名であり、以来、LモードはHモードやIモードなど改良閉じ込め状態との比較基準として、また乱流輸送物理を研究する最も清浄な実験系として、トカマク研究の基礎的な位置を占め続けている。

図は1回の放電で三つの閉じ込め状態が時間的に遷移するようすを示す。左端の緑色の部分がLモードで、Dα輝度と磁気信号のいずれにも目立った変動がなく、静穏な（ただし閉じ込めの劣った）状態であることが読み取れる。その後、黄色のELMなしHモード、赤のELMy Hモードへと移行し、エッジ局在モード（ELM）に伴う周期的なスパイクが現れる。Lモードにはこうしたエッジの急峻な勾配も爆発的な不安定も存在しない。

定義と現象論

Lモードを特徴づけるのは、プラズマの温度・密度分布が断面全体にわたって乱流輸送の結果として決まっているという点である。Hモードではプラズマ端に急峻な輸送障壁（ペデスタル）が形成され、閉じ込め特性が輸送とMHD安定性の両方の組み合わせで決まるのに対し、Lモードではグローバルな閉じ込め特性を直接、乱流輸送の性質に還元できる。この意味でLモードは、閉じ込め物理を最も素朴な形で観測できる状態である。

加熱パワーを増やすとプラズマの蓄積エネルギーは増えるが、その増加は入力に比例せず、閉じ込め時間の向上は飽和傾向を示す。これが「L」(low confinement) の名の由来であり、同じ装置・同じ入力でもHモードに遷移すると閉じ込め時間はLモードの概ね2倍程度に改善する。遷移は加熱パワーがある閾値を超えたときに起こり、逆にパワーを下げればLモードに戻る。この閾値は装置サイズや磁場に依存する経験則として整理されており、閾値近傍ではエッジの乱流が抑制され、半径方向電場のシア（E×B流のせん断）が乱流のデコリレーションを引き起こすことで輸送が低減する、という描像が複数装置の観測により半定量的に確立されている。

Lモードはまた、プラズマ中心部に内部輸送障壁（ITB）が形成される前段階や、放射損失を利用した運転など、多様な運転シナリオの基盤となる状態でもある。

乱流輸送と「ショートフォール」

Lモードの閉じ込めを律速しているのは、主にイオン温度勾配駆動型（ITG）乱流やトラップ電子モード（TEM）、高衝突領域では抵抗性バルーニングモード（RBM）といった微視的乱流である。理論的に予測される乱流輸送（例えばジャイロボーム拡散係数スケール）と実験で得られる閉じ込め時間を比較すると、実験値が理論予測より低く出る「ショートフォール（不足）」問題が知られており、局所的・大域的な非線形ジャイロ運動論シミュレーションを用いた検証が進められている。この問題はLモード閉じ込めの予測精度を左右するため、現在も活発に研究されている。

一方、Lモードではプラズマ中心部が乱流に支配されているため、外部加熱の方法（中性粒子入射、高周波加熱など）やプラズマ回転が輸送に影響を与えやすい。例えば高周波加熱による高速イオンが乱流を安定化する効果や、加熱条件に応じてプラズマの固有回転が反転する現象などがLモード放電で観測されており、乱流と流れの相互作用を研究する場としてもLモードは重要である。

Lモード閉じ込めのスケーリング則

多数の装置のデータベースから回帰された経験的スケーリング則により、Lモードのエネルギー閉じ込め時間は主にプラズマ電流にほぼ線形に依存し、加熱パワーの減少関数として表される。一方、磁場強度への依存性はIPB98(y,2)-Lスケーリング則ではほとんどゼロであり、ITER89-P則でも同様の結果が得られている。これは直感に反する結果である。というのも、乱流輸送は一般にボーム拡散係数（磁場に反比例）あるいはジャイロボーム拡散係数（磁場の2乗に反比例）でスケールすると期待されるからで、磁場依存性が消えるという実験事実は、単純な拡散係数スケーリングでは説明できない。

この一見矛盾した結果を説明するため、局所準線形乱流輸送モデルを用いた全断面輸送計算による検証が行われており、プラズマ電流を変化させることは安全因子分布の変化を通じて局所乱流輸送に影響し、結果としてグローバル閉じ込めの電流依存性として現れること、また磁場スキャン実験の結果が準線形モデルと定性的に整合することが示されている。ただし実験で得られる電流依存性はスケーリング則が示すものよりやや弱い。Lモード閉じ込めの磁場・サイズ依存性は、そのまま炉設計の外挿の信頼性に直結するため、現在も検証が続けられているテーマである。

LモードからHモードへの遷移

LモードからHモードへの遷移は、加熱パワーが閾値を超えたときにプラズマ端で起こる輸送の自発的な分岐現象である。遷移の物理は、E×B流のシアによる乱流のデコリレーションというパラダイムで半定量的に理解されている。すなわち、エッジの半径方向電場が変化してシアを生じ、乱流の相関長が短くなり、輸送が低減する。これによりエッジに急峻な圧力勾配（ペデスタル）が形成され、閉じ込めが改善する。複数のトカマクで、遷移に伴う半径方向電場の変化、密度揺らぎの低減、エッジ輸送の低下がシア安定化の描像と整合する形で観測されている。

遷移の閾値は、装置のサイズ、磁場、密度などに依存する経験則として知られており、ITERの運転設計にも組み込まれている。近年は、Lモード・Iモード・Hモードの各状態に対応して抑制される乱流の種類が異なることが指摘されている。例えばDIII-Dでは、Lモード端で二種類の乱流（微視的テアリングモード様とMHD様）が共存し、Hモードへの遷移ではMHD様乱流が抑制される一方、Iモードでは微視的テアリングモード様乱流のみが低減される、という観測結果が報告されている。このようにLモードは、単に「閉じ込めの劣った状態」ではなく、どの乱流がどの条件下で抑制されるのかを理解するための基準状態として機能している。

また、LモードからHモードへの遷移の自動判別は、将来装置のリアルタイム制御において重要な課題であり、機械学習を用いた閉じ込め状態の自動識別が実用化されつつある。

エッジ乱流、密度限界と炉関連性

Lモードは密度を上げていくと、グリーンワルド密度限界と呼ばれる上限に近づき、最終的にはディスラプション（放電の突然の終息）に至る。この密度限界の物理はLモードエッジ乱流と深く結びついている。密度が上がるとエッジの衝突性が増し、乱流の性質が変化する。理論モデルおよびASDEX UpgradeやAlcator C-Modでの実験によれば、密度がグリーンワルド限界の2〜5割程度に達した時点で、エッジ乱流は静電的なドリフト波乱流から電磁的な抵抗性バルーニングモード乱流へと遷移し、輸送が急増する。さらに密度を上げるとエッジのシア流が崩壊し、乱流粒子輸送がさらに増大する。これらの変化は、エッジ冷却がMARFEを介してMHD不安定化を招くという密度限界ディスラプションのシナリオの引き金になると考えられているが、限界そのものに至るまでの完全な因果連鎖はまだ解明されていない。

エッジ乱流はまた、プラズマ境界外側のスクレイプオフ層（SOL）の構造、すなわちダイバータへ流れ込む熱・粒子フラックスの幅や、ブロブ（blob、塊状構造）の挙動をも決定する。Lモード放電でのSOL熱流幅の実験スケーリングや、磁場強度・プラズマ電流に対するフィラメント特性の測定は、炉の排熱設計に不可欠なデータを与える。

こうした背景から、Lモードは単なる「低性能モード」ではなく、炉設計の観点から再評価が進んでいる。高周波加熱を用いたLモード運転では、不純物の線放射をエッジで増大させて排熱を分散させる「放射Lモード」の概念が研究されており、高温度超伝導磁石による強磁場小型トカマク（ARC級、主要半径3〜4 m、磁場10 T程度）では、パルスLモード運転と放射排熱を組み合わせることで、高度なダイバータを不要としつつ高い融合出力密度を実現しうるという設計提案がなされている。また、負三角形度断面を用いたLモードでは、乱流抑制によりHモードに匹敵する閉じ込めが得られる可能性が示されており、ELMによる壁負荷の問題を原理的に回避できる運転として注目されている。Lモードの物理の理解は、閉じ込めの基準を与えるだけでなく、将来の炉を安全かつ経済的に動かすための鍵となっている。