NSTX

NSTX(National Spherical Torus Experiment、国立球状トーラス実験装置)は、米国プリンストンプラズマ物理研究所(PPPL)に建設された、メガアンペア級の球状トーラス球形トカマク実験装置である。低いアスペクト比(プラズマの大半径と小半径の比)を特徴とする球形トーラス概念の物理基盤を確立することを目的とし、1999年から運転を開始した。その後、中心ソレノイドやトロイダル場コイルの強化などを行う改良型NSTX-Uへの更新を経て、球状トーラスを核融合炉候補とするための閉じ込め、安定性、排気の各物理研究を牽引してきた。

球状トーラス概念とNSTX

球状トーラスは、通常のトカマクに比べてアスペクト比を大幅に下げたトカマクであり、断面形状がドーナツ型というより「芯を抜いたリンゴ」に近い。磁力線が装置を周回するとき、粒子は曲率が安定な内側領域により長く留まるため、磁気面の平均曲率が有利に働き、同じ磁場強度でもより高いプラズマ圧力を安定に保持できる。また低アスペクト比ではプラズマ体積あたりの工学構造が小さくて済むため、装置をコンパクトかつ低コストにできる可能性がある。この利点は1990年代初頭に英国のSTART装置が記録的なベータ値(プラズマ圧力と磁気圧力の比)を達成したことで実証され、メガアンペア級の大型球状トーラスの時代が始まった。NSTXと英国のMASTはその代表的な二装置である。

以下に示す図は、NSTX-UとMAST-Uという二つの大型球状トーラスの所在と外観を示したものである。

図のように、NSTX(-U)は米国プリンストンに、MAST(-U)は英国カルハムに位置し、両者はISO(国際エネルギー機関)の枠組みなどを通じて長年協働し、多機種データベースや比較研究によって球状トーラス物理の予測能力を高めてきた。

一方で球状トーラスには固有の課題もある。プラズマ表面積が小さいため壁への熱流束密度が非常に高くなり、排気対処が難しい。また中心柱に空間的余裕がなく、トカマクの電流起動に使う中心ソレノイド(変圧器一次巻線)を十分に太くできないため、長パルスでの電流維持には非誘導的手法が不可欠となる。NSTXの研究目的は、これらの利点を強化し課題を解決すること、すなわち低衝突頻度・高ベータ・高ブートストラップ電流割合の閉じ込め物理の確立、破壊の少ない全非誘導定常運転シナリオの開発、そして高性能プラズマでの排気制御技術の開発に置かれている。

装置とNSTX-Uへの改良

NSTXは金属壁を用いないグラファイトタイルを対向配置した従来型の第一壁を持ち、中性ビーム入射(NBI)と高調波高速波(HHFW)による高周波加熱を備える。2010年代に実施された改良NSTX-Uでは、トロイダル磁場とプラズマ電流をそれぞれ1テスラ、2メガアンペアまで倍増し、NBI加熱出力を15メガワット、高周波加熱を6メガワットまで増強するとともに、パルス長を1〜1.5秒から5秒以上へ延長した。より接線方向を狙った第二の中性ビームは電流駆動と回転制御の自由度を大きく広げる。

改良の主要な動機の一つは衝突頻度の低減である。球状トーラス実験では正規化閉じ込め時間が衝突頻度にほぼ反比例して改善する強いスケーリングが観測されており、この傾向がより低い衝突頻度でも保たれれば、極めてコンパクトな装置で高い融合中性子フルエンスが達成できる可能性を示す。NSTX-Uはこの衝突頻度スケーリングをさらに3〜6分の一低い領域まで検証できる世界唯一級の装置として設計され、正規化ベータ5超、ブートストラップ電流割合0.7超、電子衝突頻度パラメータ0.01未満のプラズマを実現する能力を持つ。

閉じ込めとコア輸送

NSTXの閉じ込め研究の中心課題は、低アスペクト比・高ベータ・低衝突頻度という独特の領域での電子熱輸送の理解である。エネルギー閉じ込め時間のスケーリングはリチウムによる壁処理の有無によらず統一的に、トロイダル磁場と閉じ込め時間の積が電子衝突頻度の低下とともに強く改善することを示した。この実験的傾向は、マイクロテアリング不安定に基づく非線形ジャイロ運動論シミュレーションが実験の電子拡散係数を定量的に再現し、低衝突頻度で電子熱輸送が低減することを予測したことと整合する。これは従来のトカマクで支配的とされるイオン温度勾配型乱流とは異なる、電子スケール乱流が球状トーラスのコア輸送を左右しうることを示す重要な知見である。

ペデスタル(エッジの急勾配領域)の乱流構造も詳細に調べられている。ビーム放射分光による測定は、ペデスタルの急勾配部における乱流の極方向相関長がイオンのジャイロ半径の10個分程度であり、電子密度勾配が高くイオン温度勾配が緩いほど増大することを示し、捕獲電子不安定による乱流と整合する。一方ペデスタル頂上部の密度ゆらぎは、イオン温度勾配不安定あるいは運動論的バルーニングモードに整合するイオンスケールの微視的乱流を示す。これらの知見は、高分散散乱などの診断と合成診断を用いた定量的なジャイロ運動論検証によって裏付けられている。また非局所効果を含まないと説明できない乱流の急速な変化が観測され、イオン輸送がシアー流不安定によって強化されうることもシミュレーションで示されている。

MHD安定性・高速イオン・ディスラプション

低アスペクト比で高ベータを安定に維持できるという利点を実証するため、NSTXでは抵抗壁モード(RWM)の安定化研究が進められた。プラズマ回転と運動論共鳴(衝突頻度に依存するキネティック共鳴)を含めないと実験の安定性しきい値を予測できないことが示され、制御手法としては、n=1摂動に対する半径方向・極方向磁場センサーの組合せフィードバックや、状態空間モデルに基づくRWM制御器によってベータNが6.4を超え、βN/リチウム濃度比(運動論安定化の指標)が13に達する長パルス放電が実現された。逆に、中間的なベータN領域では運動論的RWM安定化の低下により不安定化が強まること、極高ベータ領域ではディスラプション確率がむしろ低下することが観測されている。応用3次元磁場(非軸対称摂動)は回転制御のためのネオ古典的トロイダル粘性を生み出すアクチュエータとしても使え、グローバル安定性に有利な回転分布を作れる一方、ELMの発生制御やバリヤーフットプリントの制御にも用いられる。

高速イオン(中性ビーム由来の高エネルギー粒子)の挙動も球状トーラス固有の話題である。トロイダル・アルフベン固有モードのアバランシェや高周波固有モードがビーム駆動電流のエネルギー損失と再配分をもたらしうることが示され、アルフベン固有モード駆動の高速イオン輸送モデルがNSTXデータに対してベンチマークされた。グローバルキンクによる高速イオン再配分はコアから外側へ、かつ平行速度比が1に近い領域へ向かうことが軌道計算で示されている。ディスラプション研究では、前兆解析により10ミリ秒の予告時間で96.3%のディスラプションを2.8%の誤検出率で予測できることが示され、ハロ電流のトロイダル回転や非対称性の測定、大型ガス入射による緩和システムの設計などが進められた。

加熱・非誘導運転・排気

NSTXでは、中心ソレノイドが限られる球状トーラスの課題に応えるため、非誘導的な電流起動と維持が重点課題とされた。同軸ヘリシティー注入(CHI)は誘導フラックスに頼らない電流起動手法であり、1メガアンペアまで電流を立ち上げるのに必要な誘導フラックスを35%削減した。NBIとHHFWによる電流駆動により、実験ではプラズマ電流0.7メガアンペアで非誘導電流割合65%、HHFW適用時には0.3メガアンペアで70〜100%が達成され、NSTX-Uのシナリオ計算では0.6〜1.35メガアンペアの広い電流範囲で100%非誘導運転が予測されている。ただしHHFW高周波の閉じ込め領域外縁への結合はスクレイプオフ層全域にわたることが示されており、将来の高周波システム設計ではこの損失経路の考慮が不可欠である。

プラズマ排気は球状トーラスが最も厳しい課題の一つであり、ダイバータに入射する熱流束はその非軸対称性も含めて3次元的に評価する必要がある。NSTXはスクレイプオフ層熱流束幅がプラズマ電流に反比例して狭まるという、次世代装置にとって不利な関係を測定した。その対策として、単一X点ではなく複数のX点を持つスノーフレークダイバータ構成が導入され、放射脱着と組み合わせることで定常熱流束とELM熱流束の大幅な低減が実証された。ELM時のピーク熱流束は19 MW/m²から1.5 MW/m²未満まで低減している。

リチウムによる壁処理もNSTXの独自の取り組みであり、グラファイト表面へのリチウム蒸着は酸素表面濃度と重水素-酸素親和性を高めることで重水素ポンピングを増大し、リサイクリングを低減する。これにより閉じ込め改善やELMの安定化が得られる一方、リチウム化表面では温度依存のスパッタリング増加も示されており、液体リチウムダイバータの熱制御や蒸気シールドによる熱流束低減の可能性が探られた。以下に示す図は、NSTX-Uのダイバータを構成する耐熱壁要素の幾何構造を示したものである。

図のように、ダイバータ面は約28ミリメートル角のグラファイト「キャステレーション」を0.5ミリメートルの隙間で並べた構造を持ち、各キャステレーションが熱拡散を阻止するとともにショットあたりの堆積エネルギー測定用の熱量計としても機能する。帯状の斜めベベル(約1度)は入射角がほぼ垂直となるキャステレーション端面を磁気シェードで保護する。このような鋭角エッジとギャップは、イオンのラーマー半径(装置条件によりサブミリメートルから数ミリメートル)に相当する螺旋軌道を持つイオンが磁気シェード内へ侵入して角部を加熱しうるため、磁力線に沿った熱流を仮定する「光学近似」では見落とされる3次元熱負荷を生む。球状トーラスにおけるこの種の解析は、同程度のギャロ半径が関与するITERのELMシナリオへの示唆を与えるものとしても重要である。