プラズマ閉じ込め

プラズマ閉じ込めとは、高温プラズマを有限の容器の中に長時間保持し、核融合反応に必要な温度と密度を維持するための物理的仕組みおよびその制御のことである。プラズマは固体の容器壁に触れると直ちに冷却されてしまうため、磁場や慣性によって壁から引き離して保持するしかなく、その保持の良さはエネルギー閉じ込め時間（投入された熱エネルギーが何秒で失われるかを表す量）で評価される。核融合炉が成立するかどうかは、この閉じ込め時間が温度・密度とともにローソン条件を満たすかどうかで決まり、したがって閉じ込めの研究は磁気核融合の中心課題となっている。

磁気閉じ込め：閉じた系と開いた系

最も広く用いられるのが磁気閉じ込めで、荷電粒子が磁力線に巻きついて運動する性質（ラーモア運動）を利用して壁から遠ざける。磁力線の形によって大きく二つの系統に分かれる。トカマクやヘリカル装置（ステラレータ、ヘリアック、ヘリオトロン）に代表れる「閉じた系」では、磁力線がドーナツ状の磁面内をぐるぐる回り、粒子は原理的に端から逃げられない。一方、ミラー装置やガスダイナミックトラップのような「開いた系」では、両端で磁場を強くして粒子を反射させる。開いた系では端損失が本質的な弱点であるが、端部で電位を形成してイオンを電気的に閉じ込める「ポテンシャル閉じ込め」により中心部の密度を数割高めることなどが示されており、また直線的な構造を生かして負イオン源のような中性子を用いない応用にも磁気閉じ込めが使われている。閉じた系と開いた系は、閉じ込めの良さと装置の複雑さ・定常運転の容易さをトレードオフする二つの設計思想といえる。

乱流輸送と閉じ込め問題

磁場による閉じ込めの理論限界は、粒子が磁面に沿って自由に動けることによる古典的・新古典的拡散であるが、実際のトカマクで測定される損失はこれを大きく上回る。原因は微視的不安定性に起因する乱流であり、密度や温度の勾配を駆動源とするドリフト波型の乱流が渦を作り、粒子と熱を半径方向に運ぶ。この乱流輸送が閉じ込め性能を事実上決めており、「閉じ込め問題」と呼ばれる研究分野が形成されてきた。

乱流は単独で振る舞うのではない。乱流自身が生む帯状流（ゾーナルフロー）や測地音響モード（GAM）は乱流の渦をせん断で引き裂いて輸送を抑える方向に働き、逆に磁気島（ティアリングモード）は局所の圧力勾配と流れを変えて乱流を変調する。つまり巨視的なMHD不安定性、中間スケールの流れ、微視的乱流が多スケールに相互に作用しており、閉じ込めはこの非線形な力学系の自己組織化として理解されるようになってきた。この見方の下では、閉じ込めの良し悪しは勾配と乱流のバランスがどこに落ち着くかの問題であり、後述する閉じ込め状態の遷移もその力学の転換点として捉えられる。

閉じ込め状態：Lモード、Hモード、輸送バリア

加熱パワーを上げていくと、ある閾値を超えたところでプラズマは低閉じ込め状態（Lモード）から高閉じ込め状態（Hモード）へ自発的に遷移する。これはプラズマ端の半径方向電場のせん断が乱流を抑制し、端に急峻な温度・密度の「ペデスタル」が形成されるためである。遷移閾値はトロイダル磁場、密度、プラズマ表面積に主として依存し、その経験則が多数の装置のデータベースから定式化されている。Hモードでは端の急峻な勾配がエッジ局在モード（ELM）という周期的なMHD爆発を引き起こしうるため、ELMの抑制・制御が炉規模装置での課題となる。図はLモードとHモードのプラズマ端の可視光像の違いを示したものである。

Lモード時（123 ms）にはプラズマ柱全体が明るく輝いて見えるのに対し、Hモード時（125 ms）には端の輝度が下がり、ペデスタル形成に伴う再結合領域の暗化が観察される。このように閉じ込め状態の違いは端のプラズマの見え方そのものに現れる。

Hモード以外にも、温度ペデスタルのみを持ち密度ペデスタルを持たないIモードが複数の装置で実現されている。ELMが存在しないため不純物の中心部への蓄積やヘリウム灰の除去の観点で有利とされ、図はLモード、Iモード（二つの型）、Hモードにおける電子密度と電子温度の半径方向分布を比較したものである。

Hモードでは密度・温度ともに端で急峻な立ち上がりが見られるのに対し、Iモードでは温度のみが高く密度分布はLモードとほぼ変わらない。さらに内部輸送バリア（ITB）と呼ばれる、中心部に形成される輸送の低い領域を組み合わせれば閉じ込めはさらに向上し、電子ITBとエッジの熱輸送バリアを併せ持つ長時間運転も報告されている。これらの改善モードは、乱流の抑制と勾配の自己組織化という同じ物理の異なる現れ方である。

MHD安定性限界

閉じ込めを良くしようと密度や圧力を上げると、今度はマクロな磁気流体力学（MHD）不安定性が閉じ込めの上限を定める。圧力勾配と磁場の曲がりが駆動するバブルリング不安定性や、電流分布が駆動するキンク不安定性が代表例で、これらが成長するとプラズマ全体が変形あるいは破裂し、閉じ込めが失われる。このため閉じ込め性能はMHD安定性限界（ベータ限界、密度限界など）との両立が求められ、実際の運転領域は「安定に保てる最大の圧力・密度」と「乱流を抑えられる閉じ込め」の間で決まる。エッジではHモードのペデスタル自体がELMという局所的なMHD不安定性の駆動源であり、中心部では磁気島が成長して閉じ込めを劣化させる。閉じ込め研究とは、この多層的な安定性制約の下でいかに乱流輸送を抑えるかという問題にほかならない。

スケーリング則と炉規模装置への外挿

次世代装置の設計には、現在の装置群で得られたエネルギー閉じ込め時間をより大きな装置へ外挿する必要がある。伝統的には、多装置のデータベースに対して磁場・密度・サイズ・加熱出力などを説明変数とする冪乗則型の回帰式（IPB98(y,2)に代表されるスケーリング）を当てはめる方法が最も頑健とされてきた。これに加えて、無次元パラメータ（正規化されたラーモア半径、衝突頻度、ベータ値）を揃えた類似放電の比較による方法、理論に基づく一次元輸送コードによる予測の三つのアプローチが併用されており、ITERの基準運転（Q=10）に対しては三者が不確かさの範囲で一致した予測を与えている。

一方で、スケーリング式の関数形を冪乗則と仮定しない手法（遺伝的プログラミングによる記号回帰）をデータベースに適用した結果、飽和項を含む形がより適切に現れることが示され、単純な外挿が閉じ込め時間を過大評価する可能性が指摘されている。閉じ込め予測の不確かさを定量的に評価することは炉設計の信頼性に直結する課題であり、経験則・無次元類似・理論モデルの三者によるクロスチェックが現在の標準的な手法となっている。近年は機械学習を用いて閉じ込め状態（Lモード、ELMフリーHモード、ELMy Hモード）をリアルタイムに自動識別し、炉の運転制御に生かす試みも進んでいる。