大量ガス入射

大量ガス入射（massive gas injection、MGI）とは、トカマクのディスラプション（プラズマ急速終息）を緩和するため、高速バルブから高圧の不純物ガスを大量に一気に注入する手法である。ディスラプションでは、数ミリ秒のうちにプラズマの熱エネルギーが第一壁やダイバータの狭い領域に集中して流入し、ハロ電流による電磁力や高エネルギー電子の生成といった深刻な損傷が生じうる。MGIは注入した不純物（ヘリウム、ネオン、アルゴンなど）の線放射によってプラズマの蓄積エネルギーを広い壁面に分散して放射させ、これらの脅威を同時に低減することを目的とする。JETでは機器保護システムとして実際に運用されており、SPARCもMGIを基本とするディスラプション緩和システムを採用する計画である。

図は、MGIによる急速終息を三次元磁気流体シミュレーションで計算した際の全電子密度分布を、注入後の三つの時刻で断面に示したものである。注入直後はプラズマ端の局所に高密度の「冷たい泡」が生じるが、時間とともにそれが成長し、最終的にはプラズマ全体が高密度・低温の状態へと移り変わる様子が分かる。

原理と装置

MGIの原理は、ディスラプションを「受動的に耐える」のではなく「能動的に安全な形で起こす」ことにある。高圧ガスをプラズマ端に注入すると、端の密度が急上昇して冷却され、電流分布が収縮する。これが磁気流体（MHD）不安定性を誘発して閉じた磁気面を破壊し、熱エネルギーが対流と放射で一斉に流出する熱クエンチが引き起こされる。以降は電流クエンチへと進むが、不純物の放射が続くことでエネルギーの多くは熱負荷ではなく放射として壁面全体に分散される。同時に高密度化は電子のランダウ加速を抑え、逃走電子の生成も妨げる。

装置の中心は、数ミリ秒以内に大量の粒子を放出できる高速バルブである。例えばMASTでは1回の注入で0.6〜1.5×10^22粒子、すなわちプラズマ中の粒子総数の10〜150倍を注入できるディスラプション緩和バルブが用いられ、ヘリウム、ネオン、アルゴンおよびそれらの混合ガスが試験された。バルブの駆動方式には圧電素子やばね駆動などがあり、応答速度と放出粒子数の両立が設計上の鍵となる。ITER規模の装置では単一注入では不純物の取り込み量が足りない可能性があるため、複数のバルブをトロイダル方向に分散配置する設計が検討されており、SPARCでは最終設計として6台の注入器を等間隔に上下交互で配置することが、放射の壁面へのピークを抑える観点から決定された。

ガスの侵入と不純物の取り込み

MGIの効果を律速する最も重要な因子は、注入した不純物がどれだけプラズマ内部に侵入し、混ざり合うかである。高圧ガスは超音速のジェットとしてプラズマに突入するが、プラズマ圧力と磁場圧力に阻まれて深部まで到達しにくい。冷たい高密度の泡は磁力線に沿って伝わるが、同時にMHD不安定性を励起し、その乱れた磁場構造が不純物の輸送経路を決める。ガスの侵入を支配する機構としては、圧力駆動の泡の成長と、2/1テアリングモードなどの低次モードが作る磁気島への沿面輸送が主要な役割を果たすと理解されている。

実際にプラズマコアに取り込まれる不純物の割合（混合効率）は一般に低く、不純物種に強く依存する。J-TEXTでの偏光干渉計を用いた測定によれば、冷却効率の高いアルゴン（高Z不純物）では混合効率は5〜8%程度にとどまる一方、ヘリウム（低Z）は伝播が速く20〜40%に達する。そこで低Zガスに少量の高Zガスを混ぜた混合ガス（例えばHe:Ar = 90:10）が用いられ、ヘリウムの速い侵入とアルゴンの高い冷却効率を両立できることが示された。一方、ASDEX Upgradeではバルブをプラズマ近傍に置くことでネオン注入の燃料効率40%が達成されており、バルブの配置やガス量、プラズマ条件が効率を大きく左右する。熱クエンチ後に再注入して逃走電子ビームの密度を高め、衝突による減速を強めるという戦略もこの知見に基づく。

熱クエンチとMHD応答

MGIが引き起こす熱クエンチは単純な一斉冷却ではなく、段階的なMHD過程を経る。端の冷却が進むと電流チャネルが収縮して電流密度の勾配が増し、m/n = 2/1テアリングモードが成長する。磁気島が重なり合って磁力線の確率的領域が形成されると、熱は磁力線に沿って一挙に外へ流出する。多くの実験で熱クエンチの主導モードは2/1モードであり、その後の電流クエンチでは3/1モードが支配的になることが報告されている。また、冷却の進行具合によっては1/1キンク・テアリング再結合が発生し、電流スパイクを増強したり、コアのエネルギー損失を担ったりする。熱クエンチが単段で進むか、緩やかな初期段階を挟む二段構えになるかは、磁気擾乱の成長速度と関連し、JOREKやNIMROD、M3D-C1といった三次元非線形MHDコードによる解析が進んでいる。

図は、6台の注入器を用いたシミュレーションにおける磁気面トポロジーの時間発展を示す。ガス注入後まもなく1/1磁気島が形成し、熱クエンチ期に確率的化がコアにまで達して磁気面がほぼ完全に破壊され、その後の電流クエンチで再び閉じた磁気面が再形成されるまでの過程が読み取れる。

放射の非対称性

注入した不純物の放射は壁面で一様に分布するとは限らず、局所的な熱負荷の原因になりうる。トロイダル方向の放射分布の偏りはトロイダルピーキング係数（最大値と平均値の比）で評価され、ITERでは一様値の2倍の局所加熱でベリリウム壁の融解が懸念されたほどである。MGIでは注入が局所的であっても、放射ピークが注入点のトロイダル反対側に現れることさえあり、これは不純物分布そのものより、熱流出を駆動するn = 1の低次MHDモードの位相が放射分布を決めるためである。一方、侵入の深い破砕ペレット入射では不純物源が支配的となり、放射ピークは注入点近傍に位置する。実験的な定量評価では、MGIによる放射の偏りは懸念すべきほど大きくないとする見積もりが複数の装置から得られているが、測定は空間分解能と較正の制約を受けやすく、赤外線サーモグラフィによる壁面計測など独立手法での検証が進められている。

逃走電子の抑制と破砕ペレット入射との比較

ディスラプション緩和のもう一つの目的は、電流クエンチ中に生成される逃走電子の抑制である。単純な一次注入では不純物の注入速度と取り込み効率の制約から、将来の大型装置で逃走電子を完全に抑えられない恐れがある。J-TEXTでは、主バルブから遅延時間をおいて二次の高Zガスを追加注入する手法が試みられた。追加ガスが熱クエンチ前にプラズマ端へ到達した場合は一次生成が弱められて最終的な逃走電流が約90%低減され、電流クエンチ中に到達した場合はアバランシェ増幅が弱められて40〜80%の低減が得られた。このように段階的な注入は、単発注入では足りない密度上昇を補う実用的な手段である。

MGIと比較される後継手法が破砕ペレット入射（shattered pellet injection、SPI）である。SPIは大型の極低温ペレットを入射直前に破砕し、断片の群れとして注入するもので、ITERのディスラプション緩和システムの主方式に選ばれている。J-TEXTでの比較実験では、アルゴンSPIの冷たいフロントがq = 1面まで到達するのに対し、MGIではq = 2面で止まるなど、SPIの方が深い堆積と高い密度上昇を実現する。一方、MHD活動の振る舞い（熱クエンチ期の2/1モード支配、電流クエンチ期の3/1モードへの移行）は両者で類似しており、ペレット速度を変えることで熱クエンチ過程や電流クエンチ速度、不純物取り込み率を制御できる。MGIは侵入の浅さゆえに取り込み効率で劣るものの、装置が単純で応答が速く、確実に端を冷却してディスラプションを起動できる点が強みであり、JETでの運用実績が示すように、機器保護の第一線として今後も重要な役割を担う手法である。