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%のプラズマ閉じ込めも実証されている。

端損失の物理は、衝突によるピッチ角散乱で損失円錐へ拡散する古典的過程が基本であり、フォッカー・プランク方程式による解析が性能評価の標準手法となっている。実際の装置では、軸方向の電位分布が重要な役割を果たす。電子はイオンより速く逃げようとするためプラズマは正に帯電し、生じた電位の窪みがイオンを引き留め、電子を押し戻す。この両極性電位はトラップ内のイオン密度分布や高速ビームイオンの閉じ込めを直接左右し、準中性を保つための電位プロファイルと各粒子成分の密度分布を自己無撞着に求める解析が行われている。また端から流出する軸方向エネルギー損失の直接測定や、ミラースロート部のプラズマ流を測るための並進・垂直エネルギー同時分析計の開発など、端損失診断の整備も進んでいる。

閉じ込め対象が熱平衡プラズマではなく高速ビームイオンである場合、状況は異なる。低衝突性・高ミラー比のミラーでは、ビームイオンがクーロン衝突でゆっくりと損失円錐へ拡散する間に核融合反応を起こす「ビーム駆動」の運転が構想され、速度空間における電位による閉じ込め境界と損失の評価が設計の中心課題となる。

ミラーの変種：タンデム、マルチプルミラー、ガスダイナミックトラップ

単純ミラーの端損失を抑えるため、いくつかの変種が発展した。タンデムミラーは中央の主トラップの両端に高電位の「プラグ」セルを置き、電子の両極性電位に加えてイオンに対する静電障壁を形成して端損失を大幅に減らす構成である。1980年代に大規模実験装置が建設されたが、プラグ電位の維持に必要な追加加熱と複雑化が課題となった。

マルチプルミラーは、軸方向に多数のミラー磁場を連ね、プラズマがセルからセルへと衝突的に移動する過程で閉じ込め時間を長くする考えである。ノボシビルスクのGOL-3装置が代表例で、理論予想より低いプラズマ密度、ベータ1未満の条件でも実効的な軸方向閉じ込めが得られることが示され、炉としての技術的実現性の観点から有利とされる。

ガスダイナミックトラップ（GDT）は、ミラー比を高くしすぎず、衝突頻度が十分高い「流体のように」振る舞うプラズマを軸対称ミラーで閉じ込める方式である。端から流出するのはほぼ等方的な熱流であり、速度空間不安定性の駆動源となる損失円錐の欠けが実質的に埋まるため、軸対称でありながら安定な運転が可能である。GDTは高ベータ・高電子温度の実績に加え、端部プラズマ流を利用した高フラックス14 MeV中性子源として核融合材料試験に応用する構想、さらには核融合・核分裂ハイブリッドの駆動源とする構想が現実的な選択肢として検討されている。

実験装置と核融合の展望

ミラー研究は1950年代の初期核融合計画に始まり、2XIIBでの高ベータ実証、タンデムミラーの隆盛と停滞を経て、1990年代以降はロシア・ノボシビルスクのGDTとGOL-3が軸対称ミラーの実験的基盤を支えてきた。近年、高温超伝導テープの実用化により、従来よりはるかに高い磁場（例えばピーク17 T級）をコンパクトな軸対称構成で実現できるようになったことが、ミラー研究の再活性化の大きな要因である。高磁場は高ミラー比を可能にして損失円錐を狭め、閉じ込めを改善すると同時に、速度空間の分布を等方化して微視的不安定性の駆動力を弱める。米国ウィスコンシン大学のWHAM実験は、この方向性を代表する装置であり、平面コイルによる高ミラー比、エクスパンダーによる電子熱損失の抑制、渦安定化によるMHD制御を組み合わせ、GDTの成果を低衝突性・高ミラー比領域へ拡張することを目指している。

ミラーの利点は、軸対称で単純なコイル構成、本質的に高ベータ運転が可能なこと、そして端部の直線的な磁場構造を利用した直接発電（荷電粒子の運動エネルギーを電力へ変換する）への適合性である。一方、開放端に起因する閉じ込め性能の限界が、トカマクに対する本質的な不利として長く認識されてきた。現在の研究は、高磁場磁石による損失円錐の縮小、軸対称配位の安定化手法、ビーム駆動運転や中性子源・ハイブリッド炉など炉応用の多様化によって、閉じ込めの不利を補う方向へ進んでいる。ミラーが核融合炉として閉じた系に匹敵する性能に到達できるかは、これらの要素が統合された次世代実験の結果にかかっている。