磁気ミラー

磁気ミラー（magnetic mirror）とは、磁場の強い領域で荷電粒子を反射させる性質を利用してプラズマを閉じ込める、開放端型の核融合炉概念およびその物理原理の名称である。直線状の磁場を両端で強くすることで、中央の弱磁場領域にプラズマを「瓶」のように保持する。トカマクのような閉じた磁面を持つ装置と異なり、磁力線が容器の外へ抜けるため端部からの損失が本質的な課題となるが、その分装置構成が単純で高ベータ運転が可能であり、1950年代の核融合研究初期から現在に至るまで独自の研究系譜を形成してきた。

ミラー原理と損失円錐

磁場中の荷電粒子は磁力線の周りにラーモア運動を行い、その磁気モーメント μ = m v⊥² / 2B は磁場が緩やかに変化する限り保存される断熱不変量である。粒子が磁場の強い方向へ進むと v⊥ が増大する代わりに平行速度 v∥ が減少し、やがて v∥ が零になって反転する。これがミラー反射であり、両端に磁場の山（ミラースロート）を置けば、十分な垂直エネルギーを持つ粒子は中央のトラップに閉じ込められる。

反射できるかどうかは、スロート磁場 Bm と中心磁場 B0 の比 R = Bm/B0（ミラー比）と、粒子の速度空間におけるピッチ角で決まる。ピッチ角が浅すぎる粒子は反射されずに端から逃げる。この速度空間の逃げる領域を損失円錐と呼ぶ。ミラー比が大きいほど損失円錐は狭くなり、閉じ込めは改善する。例えばミラー比が10を超える高磁場装置では、損失円錐に入る粒子の割合は数パーセント程度にまで縮む。

損失円錐の存在は、ミラー閉じ込めの本質的な弱点でもある。クーロン衝突によって粒子は絶えずピッチ角散乱を受け、いずれ必ず損失円錐に入って端から失われる。したがってミラーの閉じ込め時間は衝突周波数でスケールし、拡散がランダムウォーク的に進む閉じた系（トカマクなど）とは閉じ込めの物理が根本的に異なる。また損失円錐という「欠けた」分布関数は、後述する速度空間不安定性の種となる。端部では磁場を外側で弱く伸ばした「エクスパンダー」を設け、プラズマが到達する面での磁場勾配を下げて損失流を制御するのが標準的な構成である。

図は軸対称磁気ミラー構成を用いた炉概念の模式図である。両端のミラーコイルの間にプラズマが保持され、開放端から重水素イオンと電子のビームが注入されて燃料を供給し、端部のエクスパンダーが磁場勾配を緩めて不安定性を抑える役割を担う様子が描かれている。

ミラートラップのMHD・運動論的安定性

磁気ミラーの中央部は磁場曲率が悪い（プラズマから見て磁場が外側に膨らむ）領域であり、単純な直線ミラーは理想MHD的に不安定である。プラズマは磁力線に沿って端まで自由に動けるため、磁面に沿った「フルート」状の変位が成長してプラズマが壁へ逃げうる。この問題への古典的な答えが、ヨーヨー（yin-yang）型コイルに代表される最小平均B配位である。コイル形状を工夫してプラズマ全域で平均磁場に極小を持ち、圧力が高い領域の曲率を良くすることでMHD的に安定化する。1970年代後半の2XIIB実験は、このような配位で20 keVの中性粒子入射加熱により10 keV級のイオン温度（当時のあらゆる核融合実験で初めて）とベータ値約1を達成し、ミラーの高ベータ性能を実証した。

一方、運動論的には損失円錐に起因する微視的不安定性が残る。代表例はドリフトサイクロトロン損失円錐不安定性（DCLC）であり、損失円錐で欠けたイオン分布がサイクロトロン周波数帯の波と共鳴して成長する。アルフベンイオンサイクロトロン不安定性（AIC）も高ベータ時に問題となる。これらの対策として、中性粒子ビームの入射角を傾けて圧力の高い「スロッシングイオン」を良曲率領域に集中させる方法、プラズマ端部で渦流を起こして安定化する方法、能動フィードバックなどが研究されてきた。軸対称配位は本質的にMHD安定でないため、近年の軸対称高磁場ミラーでは渦安定化やフィードバック制御が実用上の鍵となっている。

加熱、端損失と軸方向閉じ込め

ミラートラップのプラズマ加熱は主に中性粒子入射（NBI）と電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）による。NBIは高エネルギーのイオンを垂直成分を持つ軌道で注入してトラップし、損失円錐を避けた分布を作る点でミラーと相性が良い。ECRHは電子の加熱に用いられ、ガスダイナミックトラップ（GDT）ではNBIとの併用により軸上電子温度が平均660 eV、ピークで900 eVを超える準定常放電が達成され、開放トラップとして最高水準の電子温度記録を更新した。ECRHはまたNBI由来の高速イオンの寿命を延ばし、放電末期のプラズマエネルギー含有量を約3割増加させた。GDTではベータ値60%のも実証されている。