低域混成波電流駆動

低域混成波電流駆動（LHCD、Lower Hybrid Current Drive）は、トカマクプラズマに低域混成波と呼ばれる周波数帯（現在の実験装置では主に2〜8 GHz）の高電力マイクロ波をアンテナから入射し、電子を磁力線平行方向に加速することでトロイダル電流を非誘導的に駆動する手法である。オーム変圧器に頼らずプラズマ電流を維持できる手段の中で最も電流駆動効率が高く、実験効率はη ≡ I_LH・R・n̄_e/P_LH で定義して 1〜3.5 × 10^19 A W^-1 m^-2 に達する。このため現在の中型トカマクにおける長パルス定常運転の主役であり、EAST では LHCD を主電流駆動手段として 1000 秒を超える放電が実現されている。また駆動電流の位置を入射スペクトルで制御できることから、ITER や CFETR といった炉級装置でのオフ軸電流プロファイル制御手法としても位置づけられている。

原理：低域混成波と電流駆動

低域混成波は、イオンの低域混成周波数付近で伝播する静電波であり、電磁波の周波数がイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数の間にあるとき、イオンと電子の両方の運動が絡んだ固有モードとしてプラズマ中を進む。トカマクではこの波をわずかに斜めに、つまり磁力線平行方向の屈折率 N_∥ が 0 でないスペクトルで入射する。波の電場の平行成分がランダウ減衰によって平行速度の適切な電子群にエネルギーを渡すと、それらの電子は衝突頻度の低い高速電子となり、衝突の少なさゆえに電流を効率よく運ぶ。これが電流駆動の基本機構であり、駆動効率が高い理由は「速い電子ほど衝突による運動量損失が小さい」という点に帰着する。

電流駆動効率はプラズマ温度に依存し、電子温度が高いほど衝突が弱まり効率が上がる。LHCD は比較的低温のプラズマでも高い効率を示すため、プラズマ縁近くのオフ軸領域への電流駆動に適しており、これは燃焼プラズマで q プロファイルを制御する需要と合致する。入射する N_∥ スペクトルの指向性（正の N_∥ 側と負の N_∥ 側への電力配分の偏り）が駆動電流の大きさをほぼ決め、スペクトルの形状が駆動位置を決める。このためアンテナ設計と電流駆動性能は直接つながっている。

LHCD の物理的な「顔」は、炉の壁に設置される巨大な導波管アレイである。受動・能動マルチジャンクション（PAM）方式のアンテナの全体構成を示す。前端のマルチジャンクション部、中間の直線導波管、後端の変換導波管からなり、クライストロンから導波管を通って搬送されたマイクロ波がセラミック窓を経てプラズマ側へ放射される。

図は、前端にマルチジャンクション、中央に直線導波管、後端にクライストロン側への変換導波管が接続された全体構成、受動導波管背後の水冷路の配置、そして実機に設置されたアンテナ正面の外観を示す。正面図では 5 行 × 4 列の 20 モジュールが並び、能動・受動の導波管が交互に配列され、両側にタングステン製のガードリミッタが付いている。

アンテナとプラズマ縁との結合

マイクロ波は真空を伝えられないため、アンテナ口の薄いプラズマ層を介して波をプラズマに結合させる必要がある。結合の良し悪しは電力反射係数で評価され、これが高いと送電系統に戻る電力が増え、機器保護の観点からも出力を上げられない。結合はアンテナ前面の電子密度に敏感で、カットオフ密度（周波数の 2 乗に比例）に近い密度で最も良くなるように設計される。

伝統的な全能動マルチジャンクション（FAM）方式に対し、炉級装置向けに提案されたのが受動・能動マルチジャンクション（PAM）方式である。PAM では能動導波管の間に短絡端を持つ受動導波管を挿入し、その深さを導波管内波長の 1/4 に最適化する。プラズマで反射されて戻ってきた波を受動導波管が再びプラズマへ放射するため、アンテナ口の密度がカットオフ近くまで下がっても良好な結合が保たれる。この性質により、PAM はプラズマから離れた位置（実績では 10 cm 程度離して反射係数 2% 未満）に置くことができ、炉級装置で問題となるプラズマ・アンテナ間の熱・粒子フラックスから機器を守れる。受動導波管のすぐ背後に冷却路を設けられる構造も高熱負荷・長パルスに有利である。

受動導波管の深さと冷却配管の位置関係を上面から見た模式図を示す。能動導波管幅 b_A、受動導波管幅 b_P、隔壁幅 s の和がトロイダル周期 Δ を構成し、受動導波管の深さ L_P が 1/4 波長に取られる。

図は、能動・受動導波管とその間の隔壁がトロイダル方向に交互に並ぶ周期構造と、受動導波管の背後に近接して配置された冷却配管の位置を示す。この近接配置が前端面の能動冷却を可能にしている。

アンテナ口の結合は必ずしも線形ではない。高電力ではアンテナ前面の薄い層で電場が密度を押し退けるポンデロモーティブ（ponderomotive）効果が働き、反射係数が入射電力に依存する非線形挙動が観測される。この非線形波・プラズマ相互作用を自己無撞着に扱うフル波解析により、FAM で反射係数の上昇がより大きくなるといった実験傾向が再現されており、高出力結合の設計には線形結合理論だけでは不十分なことが分かっている。

波の伝播・減衰と高速電子テール

アンテナから放射された波はスクレイプオフ層（SOL）を通り、閉じた磁束面内を伝播してプラズマ中で減衰する。伝播は主に光線追跡で記述され、波がどこでランダウ減衰するかが駆動電流の分布を決める。減衰を担うのは共鳴電子であり、準線形効果によって電子分布関数はマクスウェル分布から大きく外れ、平行速度の速いテール（高速電子テール）が形成される。この高速電子は衝突が少ないため電流を効率よく運ぶ一方、リミッタやダイバータへの熱負荷源にもなる。高速電子の制動放射である硬 X 線のトモグラフィー観測は、分布関数の空間・エネルギー構造を実験的に検証する標準的な診断となっている。

波の伝播と減衰は縁の電子温度に強く依存する。電子温度が高い場合と低い場合の光線軌道をポロイダル断面で比較した計算結果を示す。色は初期電力で規格化した光線の残存電力を表す。

図は、縁電子温度の高い放電では光線が SOL を通過する際の衝突的減衰が全電力の約 6% にとどまりプラズマ中心部まで到達するのに対し、温度の低い放電では衝突的減衰が約 39% に達し、波が縁で失われる割合が大きくなることを示す。これは縁の中性粒子の再結合（リサイクリング）を抑えて縁温度を上げることが電流駆動効率向上に直結することを意味する。

高密度では波がプラズマ中心に到達できなくなる「到達不能性」の問題に加え、パラメトリック減衰不安定性（PDI）による寄生的な電力損失が問題となる。PDI の成長率は周波数の 2 乗に反比例するため、低周波の系ほど被害が大きい。実際、同一装置で 2.45 GHz と 4.6 GHz の系を同電力・同密度で比較すると、高周波側でループ電圧とプラズマ蓄積エネルギーの両方が明確に優れることが示されている。さらに低密度側でも、シミュレーションと実験の不一致は SOL 中の密度揺らぎによる波の散乱に起因することが近年のモデリングで示された。したがって、PDI と SOL での散乱を抑え、最初の通過で強く減衰させる（単一パス吸収を確保する）ことが、光線追跡とフォッカー・プランク法に基づく標準的な LHCD シミュレーションを妥当なものにする条件である。

電流プロファイル制御と効率

LHCD の駆動電流分布は、入射 N_∥ スペクトルとプラズマ条件によって制御できる。スペクトルの主ローブが正の N_∥ 側に集中するほど指向性が上がり駆動電流は増えるが、スペクトルに含まれる負の N_∥ 側のローブは逆向きの電流を駆動するため、アンテナの種類によるスペクトルの差がそのまま駆動電流プロファイルの差になる。FAM と PAM の比較では、実験的な駆動効率は同程度でも、負ローブの位置の違いにより電流プロファイルが異なり、長パルス放電の安定性に違いをもたらすことが示されている。

駆動位置を外側に偏らせる（オフ軸化する）能力は LHCD の最大の特徴である。JET では LHCD による電流プロファイルの実時間フィードバック制御で内部輸送障壁を長時間維持することに成功し、平坦な q プロファイルを持つハイブリッド運転の制御にも用いられた。ITER や CFETR での設計計算では、正規化小半径 ρ ≥ 0.6 の領域への効率的なオフ軸電流駆動が示されており、CFETR では η ≈ 2.8〜4 × 10^19 A W^-1 m^-2 の駆動効率が見込まれている。また電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）との相乗効果——LH 波が作る高速電子テールへの EC 波の追加加熱——により効率が向上することも複数の装置で確認されており、MHD 安定化を目的としたシナリオが提案されている。

高密度限界と炉級装置への展望

LHCD の最大の弱点は密度限界である。プラズマ密度を上げると、理論予測以上の速さで電流駆動効率が低下し、波がプラズマ中心に伝播できなくなる。この密度限界問題は LHCD 発見の初期から知られ、炉級装置での利用に向けた主要な懸念事項となってきた。対策として、(1) 壁のリサイクリングを抑えて縁電子温度を上げ、PDI と衝突的吸収を減らすこと、(2) 密度一定のまま電流を増やしてグリーンウォルド密度に対する比を下げること、の二つが高磁場装置 FTU と C-Mod の実験で有効と示された。さらに、アンテナを低磁場側ではなく高磁場側に設置して波を入射する案が注目されている。高磁場側入射は波の中心部への到達性を改善して駆動効率を上げ、SOL の乱れが少ないため散乱損失も減る。炉級装置では中性子照射や粒子流による損傷が低磁場側より小さいという工学的利点もあり、CFETR での高磁場側入射を想定した計算では、中心に近い領域への電流駆動が示されている。高磁場側入射で駆動される電流の半径分布の計算例を示す。

図は、CFETR を想定した高磁場側入射の計算で得られた駆動電流の半径方向プロファイルであり、入射周波数（3.37、3.7、8.0 GHz）とスペクトル幅 N_∥、位相差 θ を変えた複数の条件について、電流密度が正規化小半径 ρ ≈ 0.5〜0.7 にピークを持つ分布として描かれている。条件の違いがピーク位置と大きさをシフトさせる様子が読み取れる。

炉級装置では LHCD に数十 MW の入射が必要となるが、単一クライストロンの出力が入射窓の数を左右する工学的制約となる。一方で、高磁場・高密度環境では電力沈着位置が縁に近づくことや、高速電子テールによる分布関数の非マクスウェル化が数十 MW 規模での効率に影響しうることなど、評価すべき課題も残る。それでも LHCD は、電流駆動効率の高さとオフ軸制御能力の組み合わせにおいて他の手法（中性粒子ビームや ECCD）に対する優位性を保っており、高磁場側入射や高周波化といった改良とともに、定常運転炉における電流プロファイル制御の中核技術であり続けると期待されている。