磁気島

磁気島（magnetic island）とは、トーラス型核融合プラズマ中で、磁力線が本来の入れ子状磁気面から外れ、有理面を中心に島状の閉じた構造を形成する現象である。プラズマ閉じ込めの破綻や輸送の変化の主因の一つであると同時に、ダイバータとして積極的に利用される側面も持つ。

磁気島とは何か：有理面、O点、セパラトリクス

トーラスプラズマ中の磁力線は、ポロイダル方向とトロイダル方向の両方に回転しながら磁気面上を周回する。回転変換 ι（ポロイダル磁束とトロイダル磁束の比）が有理数 n/m となる磁気面では、磁力線は m 回のトロイダル周回ごとに n 回のポロイダル周回を閉じる。このような有理面に、同じモード構造を持つ半径方向磁場摂動が加わると、磁力線の軌道は分岐し、有理面を中心とした島状の磁力線軌道、すなわち磁気島が形成される。磁気島の中心には安定な周期軌道である「O点」があり、その周囲に磁気面が入れ子状に存在する。一方、不安定な周期軌道である「X点」からはセパラトリクスと呼ばれる境界面が伸び、島の内外を分ける。島の幅は、摂動磁場の強さとシア（ι の半径方向勾配）によって決まり、摂動が強いほど、またシアが弱いほど広くなる。

磁気島が閉じ込めに有害なのは、その体積充填性による。磁力線に沿って動く粒子は、島の内部では大きな半径領域を短時間で横断でき、島の幅にわたって圧力や温度が平坦化される。その結果、有限体積の「平坦化領域」が生じ、プラズマの全蓄積エネルギーが低下する。さらに隣接する島が成長して互いに重なり合うと、磁力線が領域内をランダムに歩回る「確率的（ストカスティック）領域」が形成され、閉じ込めは深刻に劣化する。図は、q = 2 の有理面（正規化小半径 0.61）に強制された m/n = 2/1 の磁気島を示したポアンカレプロットであり、左の q プロファイルは有理面の位置を示す。島の断面に O 点が並び、その周囲に入れ子状の磁気面が張り付く様子が分かる。