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（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（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、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。