磁場摂動

磁場摂動とは、トカマクのような軸対称な磁場閉じ込め装置に、外部から意図的に加えられる微小な非軸対称磁場のことである。主な大きさは主磁場の10⁻⁴程度(δB/B₀ ≈ 10⁻⁴)と極めて小さいが、プラズマ縁の磁面と共鳴する成分(共鳴磁場摂動、resonant magnetic perturbation、RMP)は、磁島の形成や輸送の変化を通じてプラズマの挙動を大きく変えうる。この現象が今日重視される最大の理由は、高閉じ込めモード(Hモード)で周期的に発生するエッジ局在モード(ELM)の制御手段となるためであり、2003年にDIII-Dで初めてRMPによるELMの完全抑制が実証されて以来、世界的に研究が拡大し、ITERの基本設計にもELM制御コイルが組み込まれるに至った。

RMPコイルと摂動スペクトル

RMPは、プラズマ容器の内壁側に設置した一組ないし複数列のコイル群に通電することで作る。コイル電流の配置と位相を設計することで、トロイダル方向のモード数nとポイダル方向のモード数mを持つ摂動場のスペクトル(空間フーリエ成分の分布)を制御できる。KSTARやITERのように上・下・中平面の三列のコイルを持つ装置では、一つのトロイダル調波に対して各列の電流振幅と相対位相という多次元の自由度があり、これを用いて摂動場をプラズマ縁に局在させたり、逆に広い領域に分布させたりできる。摂動スペクトルの設計はELM抑制の成否や高速イオンの閉じ込め劣化に直接影響するため、スペクトル最適化はRMP研究の中心課題の一つである。例えば、コイル電流の位相を変えるだけでELM抑制に必要な場の構造が変わることが各装置で確認されており、核共鳴面を避けて縁に場を集中させる「縁局在」スペクトルの考え方は、コアでのロックモード(停止した磁島)や高速イオン損失を抑えつつELM制御を維持する手法として発展している。

プラズマ応答：遮蔽、増幅、貫入

外部から加えた摂動場がそのままプラズマ中に浸透するわけではない点が、この現象の物理的に最も重要な側面である。高温プラズマの大部分は理想的な導体として振る舞い、磁面のねじれ(回転)によって共鳴成分の磁場を打ち消す方向に電流を誘起する。これが遮蔽であり、真空場の計算だけではプラズマ内部の実効的な摂動を見積もれない理由である。一方でプラズマ応答は単なる遮蔽ではなく、縁のキンク応答などが外部場を増幅する場合もある。応答の強さはプラズマの回転、抵抗率、圧力勾配に依存し、回転が遅く抵抗が大きい縁の領域では遮蔽が不完全となり、外部場が共鳴面に「貫入」して実効的な磁島を形成する。実験では、摂動場のトロイダル位相を周期的に反転させたときの密度や回転の変調位相の最小値から、応答の共鳴位置を特定することができ、q=3の有理面と電子流速の零点と一致するといった結果が得られている。線形MHD計算に基づく指標(X点変位、縁の有理面での実効共鳴場の二乗平均、特異値分解で抽出した最も効率的な共鳴駆動モードとの重なりなど)が、ELM抑制に必要な摂動強度の予測に用いられている。

磁島、ストカスティック層と縁輸送

プラズマ縁に貫入した摂動は、q=m/nの有理面上に磁島(磁力線が閉じた螺旋構造から外れる領域)を開く。セパラトリックス近傍では、X点を挟む安定・不安定多様体が摂動によって分裂して複雑に絡み合う構造(ホモクリニック・テングル)が生じ、磁島が重なり合うと磁力線はストカスティック(ランダム歩行的)にふるまう。このような磁力線に沿った接続の変化は、粒子と熱の縁輸送を大きく強め、またダイバータ壁面上の熱流分布に特徴的な足跡(フットプリント)パターンを作る。摂動強度を段階的に上げた場合、開く磁島の幅とストカスティック層の厚さが系統的に増大することは、磁力線の脱出までの回転数を色分けしたポアンカレ図で可視化できる。

輸送への影響は一方向的ではない。摂動の位相配置(トロイダル・フェージング)やスペクトル次第では、縁の乱流輸送がむしろ減少して粒子・熱の閉じ込めが改善する場合があり、摂動印加中のエネルギー・粒子輸送に共鳴的な特徴が現れることも報告されている。また摂動は密度ポンプアウト(縁密度の低下)をしばしば伴い、これは縁の足元の有理面に開く磁島による粒子輸送の増強として理解されている。

ELM抑制とアクセス条件

Hモードの縁には急峻な圧力勾配(ペデスタル)が形成され、それを支える安定性限界を超えるとタイプI ELMが爆発的に粒子と熱を壁へ吐き出す。RMPによるELM制御には、抑制(ELMが完全に消滅)と緩和(頻度が増えて振幅が下がる)の二つの形態があり、DIII-D、KSTAR、EAST、ASDEX Upgradeなどで完全抑制が、JET、MAST、HL-2Aなどで緩和が実証されている。抑制の物理像としては、ペデスタル頂部に開く幅が小半径の1〜2%程度の磁島がペデスタルの成長を制限し、ピーリング・バルーニング安定性を改善するという描像が、非線形二流体MHDシミュレーションと実験の検証を通じて有力になっている。抑制への移行はミリ秒程度の速い分岐として観測され、磁島形成の機構と整合する。

ELM抑制が起きるための条件には強い制約があることが知られている。第一に、n=1〜3の摂動それぞれについて、安全係数q₉₅(縁の平均ねじれ量)の狭い窓が存在する。第二に、トロイダル回転の下限とペデスタル密度の上限(グリーンワルド密度の半分程度以下)があり、さらにプラズマ形状の三角形度への敏感性もある。これらの制約は、摂動の貫入閾値が回転(遮蔽の強さ)と密度(抵抗・衝突性)に依存することで定性的に説明される。必要な摂動強度の定量化は難しく、真空磁島幅の重なり(VIOW)のような幾何学的指標ではプラズマ応答が考慮されず、前述の線形応答指標が多機種データベースで検証されている。真空磁島幅とプラズマ応答込みの実効磁島幅の違いは、同じコイル電流でも抑制閾値の見積もりを大きく変えうることを示す例として図に示される。

他の応用とITERへの外挿

ELM制御以外にも、磁場摂動は多様な目的で用いられる。回転するn=1摂動によるディスラプション(急速な閉じ込め喪失)の予防、Hモード輸送障壁の緩和過程の制御、トロイダル・アルフヴェン固有モード(TAE)などのアルフヴェン波の外部励起と高速イオン輸送の研究などがその例である。一方、摂動は望まれない副作用も持ちうる。3次元場は高速イオンの閉じ込めを劣化させ、超伝導装置では長時間運転中に壁の過熱が放電停止の原因となりうるため、ELM抑制と高速イオン損失の両方を考慮したスペクトル最適化が進められている。またELM抑制状態ではELMによる一時的な熱負荷がなくなる代わりに定常熱流が増え、KSTARやEASTではELMy状態の2〜3倍以上に達することがあり、窒素などの不純物シードと燃料ガス供給による放射ダイバータ条件との両立が課題である。三列コイルによる3次元場の最適化と不純物シードを組み合わせ、分離点近傍と離れた領域の両方の熱流を下げつつELM抑制を維持した例が示されており、ITER設計限界の10 MW/m²未満への道を探る研究が続いている。ITERへの外挿では、現在の装置より回転が大幅に遅く密度が高いことが予想され、抑制閾値の予測には不確実性が残るが、非線形二流体MHDモデルに基づく予測では、必要なRMP電流はITERコイルの設計能力内に収まるとされている。