PBX-M

PBX-M(Princeton Beta Experiment-Modification、プリンストンベータ実験改良装置)は、アメリカ合衆国プリンストンプラズマ物理研究所で運転された中型トカマクである。前身装置PBXを大幅に改修したもので、プラズマ断面の強いシェーピング(非円形化)、近接した導電性シェル、ディバータ運転、そして中性粒子ビーム入射(NBI)に加えて下部混合波(LHW)やイオンベルンシュタイン波(IBW)による加熱・電流駆動を備えていた。高ベータ化と閉じ込め改善、とりわけHモードおよび輸送障壁の物理の解明を主目的とし、1980年代末から1990年代半ばにかけて運転された。

装置と構成

PBX-Mは主要半径およそ1.6 m級、小半径0.4 m級の中型装置で、トーラス方向磁場とプラズマ電流はそれぞれ数テスラ、数百kA(代表例として約330 kA)の範囲で運転された。前身のPBXからの最大の改修点は、プラズマを取り囲む近接導電性シェルの導入と、断面形状の自由度を大きく拡げたコイル系である。シェルはプラズマ表面のごく近くに置かれ、軸对称でない摂動に対する安定化効果を与えるとともに、高ベータ平衡を実現するための縦方向力を支える役割も担う。

加熱系としては最大4基の重水素中性粒子ビームが用いられ、運転期ごとに平均入射電力を段階的に上げながら実験が進められた。また、波動加熱として下部混合波とイオンベルンシュタイン波の両方を注入でき、LHWは電流駆動、IBWは主としてイオン加熱とHモード制御に使われた。診断面では、硬X線カメラによる高速電子の分布測定、電荷交換再結合分光(CHERS)によるイオン温度とトーラス方向回転の半径分布測定、軟X線揺動計測などが整備され、輸送障壁やMHD活動の研究を支えた。

断面シェーピングとMHD安定性

PBX-Mの中心的な研究課題の一つは、プラズマ断面形状が安定性と性能に与える影響である。装置はほぼ円形からD形、さらに中間面でくびれた豆形(ビーン形)まで、幅広い形状で運転された。豆形断面は、プラズマの内側にくびれを作ることで磁気せん断を高め、高ベータプラズマを安定化する効果が期待される形状である。実際、中性粒子ビーム入射による重水素反応の中性子源強度は、強いシェーピング、高いトーラス磁場、高い電子温度、広い分布とともに増大することが系統的に調べられ、ビーン形状への正の依存性が確認された。一方、蓄積エネルギーや密度の高性能化には、むしろ低磁場・高密度・Hモードへのアクセスが効くなど、性能指標ごとに最適条件が異なることも示された。

シェルの役割は、高ベータ・低qディスラプションの研究で特に明確になった。ディスラプションの前兆揺動の成長時間は、アルフベン時間の数倍(約100 μs)から壁のL/R時間(約20 ms)まで、プラズマとシェルの結合の強さに応じて大きく変化した。これは抵抗性壁モードの理論が予測する通りの挙動であり、豆形配置での線形安定性解析と良い一致が得られた。すなわち、近接導電壁は理想MHD的に不安定なモードを、壁の拡散時間のスケールまで遅らせることで、制御可能な時間窓を与える。この結果は、後の先進トカマクにおける抵抗性壁モード研究の先駆けとして位置づけられる。また、高ベータ環境では圧力駆動の高周波モードや低nモード間の非線形結合も観測され、非軸対称平衡における圧力駆動不安定性の研究の場となった。

Hモードと輸送障壁

PBX-Mはディバータ運転が可能であったため、Hモード物理の研究に重要な貢献をした。Hモードとは、加熱電力が閾値を超えるとプラズマ縁に輸送障壁が形成され、閉じ込めがLモードから段階的に改善する状態である。PBX-MではL-H遷移に伴う乱流輸送の抑制が観測されるとともに、遷移後のエネルギー損失機構としてのELM(縁局在化モード)の振る舞いが詳細に調べられた。ELMに伴う揺動や輸送の増強期(拡張輸送期)の特徴づけは、障壁が形成・維持される機構の理解に直結する課題であった。

さらにPBX-Mでは、HモードにIBW電力を加えることで、プラズマ中心部に輸送障壁が形成されるCHモードと呼ばれる閉じ込め改善モードが開発された。中性粒子ビーム電力の1割程度のIBW電力の追加で中心輸送障壁が生じ、密度の強い中心ピーク化とともに、トーラス方向速度とイオン温度に有意な勾配が発達する。この勾配形成には明確なIBW電力閾値があり、わずか25 kWの電力段差(200 kWから225 kW)で勾配の発生が始まることが観測された。障壁の位置ではELMによる損失が減少し、ELM擾乱が中心部へ伝わる際、通常のエネルギー拡散から予想されるより速い伝播速度を示すこと、また障壁領域では揺動の増強が強く抑えられることが軟X線計測で示された。これらは、縁のイベントが中心輸送障壁とどう相互作用するかを調べる、初期の体系的データとなった。

補助加熱と電流駆動

中性粒子ビーム入射下では、CHERS診断によりイオン温度とトーラス回転の半径分布が測定され、ビームの入射構成(垂直入射と接線入射の組み合わせ)が回転分布に強く影響する一方、熱エネルギー閉じ込め時間はほとんど影響を受けないことが分かった。角運動量閉じ込め時間は構成によって数倍変化し、Hモード期にはプラズマ外側領域で角運動量拡散係数が大きく低下する。これは、回転せん断が乱流輸送を抑制するという、後の閉じ込め改善研究の中心的描像につながる観測である。

下部混合波については、再構成された磁気平衡を用いた到達性解析、プラズマとの結合特性、電流駆動された電流の空間的広がり、波の減衰機構などが調べられた。駆動された電流が予想より広く分布することは、電流分布の制御という観点で重要な知見である。また、硬X線カメラを用いた高速電子の有効拡散係数の推定や、高温プラズマ中の電気伝導率の測定も行われ、LHW駆動電流の理解と電流分布改変の評価が進められた。IBW加熱については、不純物挙動への影響や、加熱中のMHD活動(ELM、揺動、クラッシュ事象、n = m − 1 および n = m モードの挙動)が系統的に研究され、波動加熱がHモードや輸送障壁の制御手段として機能しうることが示された。