ピンチプラズマ

ピンチプラズマとは、プラズマ自身が運ぶ電流とその電流が作る磁場の間に働くローレンツ力によって、プラズマが自らを内側へ圧縮（ピンチ）される現象、およびその現象を利用したプラズマ閉じ込め方式の総称である。磁場による閉じ込めの最も古い形態の一つであり、トカマクのような複雑な磁場配置を用いず、柱状あるいはトロイダルなプラズマの自己磁場だけで閉じ込めを行う点が特徴である。単純な構造ゆえに高密度・高温のプラズマを短時間で作り出せる一方、磁気流体力学（MHD）的な不安定が本質的に伴いやすく、その制御が研究の中心課題となってきた。

ピンチの概念とその変種

ピンチの基本原理は次の通りである。プラズマに軸方向に電流を流すと、その周りに方位角方向の磁場が生じ、電流と磁場の積（J×B）が半径内向きの力として働く。この力はプラズマの熱圧力と釣り合うまで柱を圧縮し、結果として中心部に高密度・高温の状態が形成される。圧縮の駆動力がプラズマ自身の電流である点で、外部コイルが作る磁場で閉じ込めるトカマクなどとは本質的に異なる。

この概念にはいくつかの幾何学的変種がある。軸方向に電流を流して方位角磁場で圧縮するのがZピンチであり、最も単純な構成である。これに対し、コイルで軸方向磁場を急激に立ち上げ、その周回電流（反磁性電流）で圧縮するのがシータ（θ）ピンチである。θピンチはZピンチより不安定になりにくく、初期加熱手段として使われることが多い。さらに、トロイダル環の中でZピンチ的な電流と弱いトロイダル磁場を組み合わせ、磁場の反転を許すことで安定化を図ったのが反転磁場ピンチ（RFP）である。Zピンチの応用では、タングステンなどの細いワイヤを円筒状に並べたワイヤアレイ負荷が標準的な構成となっており、図に示すように陽極と陰極の間にワイヤアレイを置き、電流リターン棒がその外側を囲む構造で、アレイ全体が一様にインピロード（内爆縮）するよう設計されている。

図はワイヤアレイZピンチ実験の模式図であり、タングステンワイヤアレイ、陽極・陰極電極、電流リターン棒、そして外周のラジアル診断系の配置が示されている。このような構成では、各ワイヤを流れる電流が作る磁場によってアレイが円筒状に加速され、軸上へ収束する。

インピロード動力学とスタグネーション

Zピンチの動作は大きく二つの局面に分けられる。第一はインピロード（内爆縮）局面である。パルス電流が立ち上がると、ワイヤアレイやガスパフの外殻は方位角磁場による磁気圧を受けて加速され、初期半径から軸へ向かって収束する。このとき重要な指標となるのがインピロード速度と、電流波形・負荷半径で決まる無次元パラメータである。インピロード速度を一定に保つと、収束に要する時間（すなわち電流立ち上がり時間）が長いほど、また初期半径が大きいほど、プラズマ殻は長い距離を加速・飛行することになる。

第二はスタグネーション（滞留）局面である。軸上に収束したプラズマは急減速し、その運動エネルギーが熱エネルギーへ変換される。この急減速の瞬間にキロテスケール級の高温・高密度状態が実現し、X線や中性子の強い放射が得られる。可視光ストリークカメラによる観察では、プラズマ殻が数十ナノ秒にわたって滑らかに収束し、軸上で急激に輝度を増して滞留する様子が直接捉えられており、収束の軌跡と滞留時の急激な発光が一つの画像に記録される。

図はインピロードするプラズマの可視光ストリーク像とその収束軌跡であり、横軸に時間、縦軸に半径をとり、約80ナノ秒にわたる収束の過程と、滞留直前の急激な輝度上昇が見えている。滞留後も軸上の高密度領域が短時間維持される様子が分かる。

MHD不安定：ソーセージ、キンク、磁気レーリー・テイラー成長

ピンチプラズマ最大の弱点は、その閉じ込め機構自体が不安定を内包していることである。代表的な不安定が二つある。一つはソーセージ不安定（m=0モード）で、柱が数珠状にくびれる変形である。くびれた部分では磁気圧が相対的に強くなるため、変形が自己増幅される。数値研究によれば、短波長の境界擾乱が存在すると、くびれの間に希薄プラズマと磁場で満たされた空洞が成長し、その結果軸上に平均温度よりはるかに高温の高密度プラズマ塊が列をなして形成される。重水素プラズマでは、この高温塊が強い中性子放射源となりうる。もう一つはキンク不安定（m=1モード）で、柱全体がらせん状に曲がる変形であり、Zピンチでは原理的に抑えることが難しい。

急速Zピンチで特に深刻なのが磁気レーリー・テイラー不安定（MRT不安定）である。インピロードするプラズマ殻は方位角磁場に押されて減速方向へ加速される状態にあり、これは重力場中で重い流体が軽い流体の上に載る状況と力学的に等価である。したがって殻の外表面には波打つ界面不安定が成長し、バブルとスパイクの構造が発達して殻の均一性を破壊する。線形理論では単一モードの増幅はインピロード距離だけで決まるが、急速Zピンチでは不安定は速やかに強非線形段階へ進むため、線形・弱非線形理論では全過程を予測できない。実験と数値シミュレーションの両方から、インピロード速度を一定に保ったまま電流立ち上がり時間を長くする（あるいは初期半径を大きくする）と、滞留前の擾乱振幅が立ち上がり時間にほぼ線形に増大することが確かめられている。滞留前のX線自発光像では、収束する殻の表面に非線形に発達した擾乱の縞模様が観察され、二次元放射MHDシミュレーションの再現結果とよく一致する。

図は滞留前の異なる時刻におけるX線自発光像（実験）と対応する二次元シミュレーション像を並べたもので、時間の経過とともに殻表面の擾乱が成長していく様子が見えている。

MRT不安定の抑制策として、軸方向磁場の印加（磁場の張力が界面を安定化する）、多層殻負荷の設計、誘電体コーティング、密度分布の最適化、そして電流波形の制御が研究されてきた。磁化ライナー慣性核融合で用いられる小型ライナーでは、半径が小さいこと、軸磁場が印加されていること、材料の構造強度があることから、MRT不安定はZピンチ動的ホールラウムの場合より成長が抑えられる。ライナー実験ではバブルの合体（逆カスケード）も直接観測されており、非線形段階の理解が進んでいる。

応用：X線・中性子源と慣性核融合

急速Zピンチの最大の魅力は、滞留時にプラズマの運動エネルギーを一挙に熱へ変換できる点にある。メガアンペア級のパルス電力を用いれば、X線領域でテラワット級の放射出力が得られ、Zピンチは世界最大級の軟X線源として位置づけられている。応用は大きく三つに分けられる。第一にX線放射源であり、銀などの高原子番号プラズマからのX線放射はX線レーザー研究にも応用されてきた。第二に中性子源であり、前述の通りソーセージ不安定が作る高温高密度塊が重水素プラズマで強い中性子を放射することを利用する。第三に慣性核融合であり、Zピンチ動的ホールラウムでは滞留プラズマの放射で高温の放射場（ホールラウム）を作り、その中の燃料カプセルを圧縮する。この場合、駆動に必要な放射温度がMRT不安定の発達に直接左右されるため、不安定制御が成否の鍵となる。また、Zピンチが作る強い方位角磁場を利用して重イオンビームを集束するプラズマレンズの研究も行われており、核融合炉への重イオンビーム入射という観点から注目されてきた。

トロイダルピンチ：反転磁場ピンチの自己組織化と閉じ込め

Zピンチをそのまま環状に閉じるとキンク不安定が即座に成長するため、実用的なトロイダルピンチとして発展したのが反転磁場ピンチ（RFP）である。RFPでは強いトロイダル電流が主要な閉じ込め磁場を作り、端部のトロイダル磁場はプラズマ縁で反転する。この配置ではトカマクに比べ磁場のせん断が弱く、抵抗性MHD不安定が常に励起される。しかし、この不安定こそがRFPの存立を支えている。J・B・テイラーの緩和理論が予測するように、RFPプラズマは磁気へリシティ（磁場のねじれの量）をほぼ保存しながらエネルギーを極小化する磁場配置へと緩和する強い傾向を持ち、この自己組織化によって反転磁場配置が自立的に維持されるのである。

問題は、この緩和が高コストであることにある。緩和を担う磁気乱流はダイナモ作用によって磁場を生成・維持するが、同時に磁力線を確率的に混ぜ合わせ、その上を動く電子の沿磁力線輸送を通じてプラズマを急速に失わせる。実験的には、ピンチパラメータ（電流とトロイダル磁場の比）の低い領域では緩和が連続的に起こり、複数のモードが重なり合った確率的磁場による損失が支配的となる。一方、ピンチパラメータの高い領域では緩和は間欠的でパルス状に起こり、トーラスの特定の位置で磁面が破壊されてエネルギーが急速に失われる。モードの回転が停止して壁に固定される現象も損失と密接に関係する。なお、一部の実験では全磁気へリシティの保存を伴わずに緩和が起こる例も観察されており、緩和の描像には単純化できない部分が残る。

閉じ込め改善の試みは二つの方向で進んできた。一つは放電条件を精密に制御して高ピンチパラメータ領域（おおよそ2程度）で動作させる「高シータ改善モード」であり、この運転ではダイナモ活動に対応する磁場変動のレベルが約3分の1に低下し、ポロイダルベータが約8%から18%へ上昇、エネルギー閉じ込め時間が0.2ミリ秒から0.4ミリ秒へと倍増することが示された。もう一つはパルス状のポロイダル電流駆動により乱流ダイナモを外部から置き換え、緩和を能動的に制御する試みである。これらの結果は、ピンチの自己組織化という「宿命」を理解し、それを制御することによってはじめてピンチ系の閉じ込めが改善されるという、ピンチ研究全体に通じる教訓を示している。