ペレット消滅

ペレット消滅（ペレットアブレーション、pellet ablation）とは、核融合プラズマ中に投入されたミリメートル級の固体水素（重水素・三重水素）ペレットが、高温プラズマ電子からの熱流によって表面から蒸発・電離しながら失われていく現象である。ペレット入射は磁場閉じ込めプラズマへの深い中心燃料供給法として最も有力な手段であり、その予測にはペレットがどこまで侵入し、どこに燃料を堆積させるかを決める消滅過程の理解が不可欠である。消滅は単なる表面蒸発ではなく、ペレット周囲に形成される中性ガス雲と電離雲が入射熱流を遮る「シールド（遮蔽）」効果を介して進行するため、ペレット速度・サイズとプラズマの密度・温度分布の複雑な関数となる。

ペレット入射と消滅過程の概要

ペレットは凍結燃料を高速（数百 m/s から 1 km/s 超）でプラズマに打ち込むもので、トカマクでもヘリカル装置でも中心燃料供給の主力である。ペレットがプラズマに接触すると、周囲の電子が表面を加熱して物質を昇華させ、その物質は磁力線に沿って膨張する。この一連の過程を模式的に示したのが次の図であり、外側の薄い炭素シェルに重水素・三重水素（DT）ペイロードを封入したシェルペレットの断面と、消滅シミュレーションで得られるペレット半径の変化、堆積粒子源分布が示されている。

図の左は直径 3 mm・シェル厚 40 μm の C-DT シェルペレットの構造、中央と右は入射時の電子密度・温度分布に対する粒子堆積プロファイルとペレットサイズの半径方向変化である。このように消滅モデルの最終目的は、ペレット入射直後のプラズマ密度分布、すなわち「どこにどれだけの燃料が落ちたか」を予測することにある。消滅から堆積に至るまでには、(1) ペレット表面からの消滅、(2) 消滅物質の磁力線に沿った並進膨張、(3) 堆積物質の速い外向き移動、という三段階が続いて起こり、完全な燃料供給モデルはこの三つを一貫して扱う必要がある。

シールドと消滅速度モデル

消滅速度を決める鍵はシールド機構である。ペレットから昇華した物質は、まず球状に膨張する中性ガス雲として、次に磁力線に沿って細長く伸びた電離雲（チャンネル流）として、ペレット表面へ向かう電子熱流を吸収・散乱して遮る。この遮蔽が強いほど消滅は遅く、ペレットは深くまで侵入する。標準的なモデル（ネイバーホール型の準定常モデル）では、消滅速度はペレット半径のほぼ二乗に比例し、電子温度の高い領域では熱流が増えるため消滅が加速される一方、雲の密度が上がって遮蔽も強まる、という競合でペレットの侵入深さが決まる。

数値モデルの発展により、中性雲による遮蔽と電離雲チャンネル流による遮蔽を両方組み込んだ計算が行われるようになった。興味深いことに、チャンネル流はそれ自体を通過する熱流を減らすにもかかわらず、流れの幾何によっては結果として消滅速度を増加させる場合があることが示されている。また、熱核プラズマ中の原子過程（電離・再結合・輻射）の取り扱いや、高温イオンによる加熱の寄与など、モデルの細部には現在も論点が残る。不純物ペレット（ネオン、炭素など）については、輻射冷却を利用した「キラーペレット」としての応用も含め、同様の遮蔽モデルで消滅が記述される。これらのモデルは、複数装置の実験データに対する回帰スケーリングとして整理され、ペレット速度・サイズ・プラズマパラメータ範囲を明示した消滅速度式へまとめられている。

消滅雲のダイナミクス：プラズモイド、grad-B ドリフト、ストリエーション

消滅した物質は静止しているわけではない。ペレットから供給された物質は高ベータ（反磁性の）プラズモイドを形成し、トーラスの弱磁場側へ向かってドリフトする。これは、ペレット物質による局所的な圧力上昇と磁場勾配（∇B）の組み合わせが E×B 流を誘起し、物質を大半径方向に運ぶためである。この grad-B ドリフトにより、堆積位置はペレットの軌道から弱磁場側へずれる。高磁場側からペレットを入射するとドリフトが内側（プラズマ中心方向）に働くため、燃料供給効率を上げる入射位置の選択として実際に用いられている。

ペレット消滅に特有の顕著な現象がストリエーションである。消滅雲の発光は強く時間変調され、高速撮影では磁力線に沿って伸びた明暗の縞が連なる様子が観測される。これは消滅物質が時間的にも軌道に沿っても周期的に分離・堆積することを意味し、最終的な堆積プロファイルに直接影響する。次の図は、その変調を実測した例である。

図は 2 MHz で記録された消滅発光の時間波形であり、隣接する極大の間隔から読み取れるストリエーション周波数が 100 kHz 近傍に達すること、挿入図のフーリエスペクトルが同種ペレット間で再現性よく同じ周波数構造を示すことが分かる。ストリエーションの機構には長い研究史があり、有理面でのエネルギー供給の枯渇、ペレットが自らの雲を貫通する際の「中空パイプ」状遮蔽、雲の回転に伴うレーリー・テイラー不安定化などが提案されてきた。近年の有力な描像は、grad-B ドリフトで移動する電離雲層と、新たにペレット表面から供給される中性ガスの膨張との相互作用である。3次元磁気流体シミュレーションでは、雲の直径をドリフト速度で割った時間が観測されるストリエーション周波数とほぼ一致することが示されている一方、消滅速度そのものの自励振動が生じるかについては機構が確定しておらず、現在も活発に研究されている課題である。プラズモイドのダイナミクスはペレット自体の半径方向運動（ロケット効果）にも影響し、消滅と輸送が切り離せないことを示している。

実験測定と消滅データベース

消滅過程の実験的把握は、主に消滅雲の発光測定によって行われる。ペレットが消滅する際に放つ光は消滅速度におおよそ比例すると仮定して、フォトダイオードや高速カメラで発光の時間・空間分布を測れば、消滅プロファイル（ペレットがどこで失われたか）を再構成できる。干渉計や分光測定は消滅雲およびドリフトするプラズモイドの密度・温度を与え、トムソン散乱による密度計測と組み合わせれば実際の粒子堆積と燃料供給効率が求まる。さらに、消滅の軌跡の三次元再構成から安全係数（q 値）分布を診断するという、消滅をプラズマ診断に転用する手法も提案されている。

装置間で結果を比較・外挿するため、国際的な消滅データベースが整備されている。これには JET、Tore Supra、DIII-D、TFTR、ASDEX Upgrade、JT-60 系の装置、ヘリカル装置（LHD、TJ-II、W7-AS など）のデータが含まれ、ペレットの質量・速度、入射前の電子密度・温度分布、消滅発光の記録が収められている。トカマクとヘリカル、異なる加熱条件（中性ビーム、電子サイクロトロン加熱など）にまたがるデータのスケーリング解析により、消滅モデルの検証と反応炉条件への外挿の基盤が提供されている。

質量堆積、燃料供給効率と炉への意味

消滅で剥がれた物質がそのまま堆積するわけではない。並進膨張と grad-B ドリフトによって堆積位置はペレット軌道からずれ、ストリエーションによる周期的分離が堆積プロファイルを細かく変調する。その結果、燃料供給効率（入射粒子のうち閉じ込め領域に残る割合）は入射位置、ペレット速度、プラズマ条件に強く依存し、消滅モデルとドリフトモデルを統合したコード（HPI2 など）が堆積プロファイルの予測に用いられている。この種のコードはヘリカル装置向けにも拡張され、W7-X などの入射ポート選択と供給効率評価に使われている。

炉規模装置ではペレット燃料供給は燃焼維持の要である。ITER や CFETR の統合モデリングでは、高密度運転（グリーンワルト密度比が 1 に近い、あるいはそれ以上）と高いトリチウム燃焼率を両立するために中心ペレット燃料供給が不可欠とされ、実際 DIII-D では中心ペレット入射によりグリーンワルト密度比 1.5 が達成されている。ただし炉ではペデスタルが高温なためペレットの侵入は浅くなりやすく、より深い堆積を得るために、慣性核融合用に開発された技術を応用して高強度の耐熱材シェルで DT ペイロードを覆うシェルペレットの構想が検討されている。消滅・堆積モデルを輸送計算と結合して必要な入射頻度とペレット仕様を自己無撞着に求める、という手法が次世代装置の燃料供給設計の標準になりつつある。消滅過程の理解は、単なる表面蒸発の問題にとどまらず、シールド、雲のドリフト、ストリエーションという多段階の物理を通じて、炉の燃料供給効率と燃焼性能を左右する基盤現象なのである。