ペデスタル

ペデスタル（edge pedestal、周辺障壁構造）とは、Hモード運転中のトカマクプラズマ最外殻に形成される、圧力の急峻な勾配を持つ薄い領域のことである。この領域で密度と温度が半径方向に数センチメートルの幅で急上昇し、プラズマ中心部の圧力全体を押し上げる「台座」のように働くため、この名が付いている。ペデスタルの高さは閉じ込め性能の境界条件を直接決めるため、現代のトカマク物理において最も重要な研究対象の一つとなっている。

図は典型的なHモードペデスタルの実測断面を示す。上段の電子密度・電子温度・圧力の半径方向分布を見ると、正規化小半径 ρ が 0.95 から 1.0 に向かうごく薄い層で温度が数百eVから急落し、圧力に鋭い「崖」が形成されている様子が分かる。この急勾配こそがペデスタルの本質であり、下段に示すように安全因子 q が変化するこの領域に特有の揺動構造が局在する。

ペデスタルとHモード閉じ込め

トカマクの閉じ込めは、加熱出力を上げるとエネルギー閉じ込め時間が逆に劣化するLモードが標準的な状態である。1982年に発見されたHモードは、加熱出力がある閾値を超えるとプラズマ縁に輸送障壁が自発的に形成され、閉じ込めがほぼ倍に改善するという高い閉じ込め状態である。この障壁がペデスタルであり、Hモードの改善の大半はペデスタルの形成そのものに由来する。

ペデスタルが重要なのは、コアプラズマの輸送が「プロファイル剛性（stiffness）」と呼ばれる性質を持つからである。コアの微視的乱流は強い温度勾配を許さず、温度断面はほぼ一定の勾配に張り付いた形になる。その結果、中心温度はペデスタル頂上の温度からほぼ固定された勾配で下がる形で決まり、ペデスタル圧力が高ければコア圧力もほぼそのまま高くなる。ペデスタルとコアは強く結合しており、ペデスタル圧力の向上は追加の加熱なしに融合出力の向上へ直結する。このためペデスタルの高さは、ITERのような次世代装置の性能予測において決定的な入力量となる。

一方でペデスタルは安定な構造ではない。急峻な圧力勾配とそれに伴う自発電流（ブートストラップ電流）は縁の磁気流体（MHD）不安定性を駆動し、後述するエッジ局在モード（ELM）と呼ばれる周期的な崩壊イベントを引き起こす。ペデスタル物理とは、要するに「勾配をどこまで立てられるか」という輸送側の制限と、「勾配がどこで壊れるか」という安定性側の制限の、自己無撞着な釣り合いを理解することにほかならない。

ペデスタル構造：高さ・幅・勾配

ペデスタルは圧力断面を幾何学的に特徴付ける三つの量、すなわち高さ（ペデスタル頂上の圧力）、幅（勾配領域の厚み）、勾配（圧力の傾き）で記述される。高さは幅と勾配の積として理解でき、この三者の関係がペデスタル物理の骨格を成す。

実験的な蓄積から、圧力勾配は主にピーリング・バルーニング安定性の限界で決まり、幅はペデスタル頂上のポロイダルベータ（β_p）の平方根にほぼ比例してスケールすることが多くの装置で示されている。この経験則に理論的根拠を与えるのが運動学的バルーニングモード（KBM）である。圧力勾配が大きくなると縁でKBM乱流が励起され、それが追加の輸送を生んで勾配のさらなる増大を打ち消すため、幅がβ_pの平方根で広がる分だけ勾配を立てられる、という描像である。この安定性限界とKBM輸送を組み合わせてペデスタル高さを予測するのがEPED型の簡約モデルであり、既存装置の圧力が20倍以上変化する範囲にわたって良好な予測を与え、ITERへの外挿（既存データの約3倍先）の基盤となっている。

ペデスタル構造は装置条件にも依存する。プラズマ形状、とくに三角形状や伸長比、さらに正方度（squareness）と呼ばれる断面の角の丸みは安定性境界を動かし、ペデスタル性能を左右する。トロイダル回転も高nバルーニングモードを安定化する一方で低nピーリングモードを不安定化するなど、安定性境界に影響する。また金属壁装置では不純物流入を抑えるためのガス入射が増え、密度ペデスタルの特性が変化する共通の傾向が見られ、低Z不純物の注入が逆にペデスタル温度と閉じ込めを改善しうることも知られている。水素同位体質量も構造に影響し、多くの実験でペデスタル圧力が同位体質量とともに増加する傾向が報告されているが、その依存性は支配的な微視的乱流の種類によって普遍ではないと考えられている。

ペデスタルにおける輸送と源

ペデスタル構造は「源」と「輸送」の自己無撞着な釣り合いで決まる。熱源、すなわちペデスタルに流入する全加熱パワーは比較的よく分かっているが、粒子源は難しい。主な粒子源はプラズマ縁へ再結合して中性粒子として侵入する燃料ガスであり、この中性粒子のペネトレーションと電離を正確に評価することが粒子収支理解の鍵となる。実際、密度ペデスタルは中性燃料供給に対して鈍感で、強い「縁プロファイル剛性」を示すという観測があり、密度ペデスタルの高さは源よりも輸送側の性質で決まることを示唆する。拡散する中性粒子を含んだ密度ペデスタルのモデルも提案されている。

輸送側については、新古典輸送、電子温度勾配乱流、そして電磁気効果を含むジャイロ運動論的乱流が候補として研究されてきた。電磁ジャイロ運動論シミュレーションは、ペデスタル頂上および勾配領域の勾配が多数の不安定性を駆動しうることを示している。さらに最近のシミュレーションは、支配的な微視的乱流の種類がペデスタル頂上から勾配領域、そして磁気セパラトリクス近くの「足元」へと動くにつれて変化することを一貫して示しており、ペデスタルを単一の乱流で記述することの限界を明らかにしている。

輸送が乱流ではなくコヒーレントなモードで制限される場合もある。アルカトールC-Modではペデスタル成長を抑える準コヒーレント揺動が観測され、EASTではペデスタル構造を壊さずに高閉じ込めと共存する低nの磁気コヒーレントモードが報告されている。後者はペデスタル特有の強い反磁性効果によって周波数ギャップがずれたアルフベン固有モードとして理解され、熱的捕獲電子の共鳴によって駆動される。このような「穏当な」モードはELMのような崩壊を伴わずにペデスタル輸送を制御しうるものとして注目されている。

ピーリング・バルーニング安定性とELM

ペデスタルの安定性は、正規化ペデスタル電流密度 J_N,ペデ と正規化圧力勾配 α の二つのパラメータで張られる平面上の安定性境界として理解される。圧力勾配が大きいほどブートストラップ電流も大きくなるため、この二つは互いに強く結合してペデスタル内でピークを持つ。

安定性の描像は次のように単純化できる。α が高すぎると高トロイダルモード数（n ≈ 30〜40）の理想バルーニングモードが成長するが、これは電流密度を増やすと安定化できる。逆に電流密度が高すぎて α が低いと、低n（n ≈ 5程度）のピーリングモードが駆動され、これは圧力勾配を増やすと安定化できる。二つの駆動機構が逆向きであるため、両者の結合が与えられた形状で到達可能なペデスタル勾配と電流密度の上限を定める。実際のELMは「純粋な」ピーリングやバルーニングであることはまれで、両者の結合したモードとして現れる。

図はMASTとMAST-Uの放電を J–α 平面上で比較したもので、太い緑の帯が高n理想バルーニング分枝、青の帯が低nピーリング分枝の安定性境界を示す。MASTのペデスタルが強くバルーニング限界であったのに対し、MAST-Uでは形状の最適化（高い伸長比と正方度）によってバルーニング境界が高α側へ移動し、ピーリングとバルーニングの結合が弱まって両分枝の間に拡張された安定領域が現れている。ペデスタル頂上温度の違いによってバルーニング分枝の位置が大きく変わることも図から読み取れる。

安定性境界を超えるとELMが発生する。ELMは縁のプラズマがフィラメントとして短時間・周期的に放出される現象で、タイプI ELMは最大規模のもので、制御しなければプラズマ対向壁に大きな熱・粒子負荷を与え、将来の炉の壁寿命を脅かす。このためELMの制御は炉設計の必須要件であり、共振磁気擾乱（RMP）によるELM抑制、タイプIII ELMやグラッシーELMなどの小ELM運転、静穏Hモード（QHモード）やIモードのようなELMのない高閉じ込め状態の探索が進められている。RMPはペデスタルに摂動を与えるだけでなく、新古典トロイダル粘性トルクを介して回転にも影響する。またIモードではペデスタル緩和イベントと呼ばれる独自の緩和現象が観測されており、ELMとは異なる縁緩和の様相を示す。

ITER・炉のためのペデスタル予測と制御

ペデスタル研究の最終目標は、次世代装置のペデスタルを事前に予測し、望ましい状態に制御することである。EPED型モデルによるペデスタル圧力の予測は既存装置で検証されており、ITERの最大ペデスタル圧力の予測に一定の信頼性を与えている。一方、ペデスタル密度については予測モデルがまだ確立されておらず、実験値を入力する必要がある。密度予測には粒子収支、すなわち中性粒子源と粒子輸送の定量的理解が不可欠であり、これが現在の主要な研究課題の一つである。同位体質量の影響も、ITERが重水素・三重水素混合プラズマで運転されることから重要であり、JETでの三重水素およびD-T実験によって高分解能のペデスタル計測が初めて可能になった。同位体はペデスタルの中性燃料とELM間輸送、およびMHD安定性の二つの経路で構造に影響しうるが、普遍的なスケーリングは期待できないとされている。

制御の側面では、ペデスタル領域のブートストラップ電流の制御、形状パラメータの最適化による安定性境界の拡張、RMPによるELM抑制が主要な手段である。形状最適化と反磁性効果によってピーリングとバルーニングの分枝が分離すれば、大きなELMを起こさずにペデスタル圧力を上げ続けるELMフリーのHモード、さらには第二安定領域に至るスーパーHモードへの道が開ける。球状トカマクは強い形状最適化の余地が大きく、STEPのようなコンパクトな炉設計の鍵とされている。また近年は、実験データベースに基づくペデスタル幅スケーリングの統計的構築や、機械学習による球状トカマクのペデスタル予測・最適化の枠組みも登場しており、多パラメータに依存するペデスタルの予測手法は実験的アプローチと理論モデルの両輪で発展している。