プラズマ生成

プラズマ生成とは、中性気体・固体表面・あらかじめ用意された磁場配置などの初期状態から、電離したプラズマを初めて作り出し、目的とする閉じ込め状態へ立ち上げるまでの一連の過程である。核融合研究では、真空容器内の希薄ガスを電離させてプラズマ柱を「点火」させ、電流を流し、密度と温度を制御しながら定常的な閉じ込め配置に到達させる工程全体を指すことが多い。生成法の選択は装置の磁場構造と密接に結びついており、同じ「プラズマ生成」という語が、トカマクの放電立ち上げから、レーザー照射による高エネルギー密度プラズマの創成、さらには重イオン衝突におけるクォーク・グルーオンプラズマの形成まで、広い範囲の現象に使われる。本項では、磁場閉じ込め、とくにトカマクおよび球形トカマクにおける生成を中心に述べる。生成の道筋の一つとして、二つのトロイダルプラズマを合体させて高ベータプラズマを作る方法があり、図はその模式図である。図には、二つの球形トカマク（ST）プラズマを合流させて高ベータSTを作る過程（a）と、逆向きの螺旋磁場を持つ二つのスフェロマクを合体させて場反転配置（FRC）を経由して高ベータSTへ変換する過程（b）、およびそれぞれの再接続領域でトロイダルガイド磁場の有無によって電流層の構造がどう変わるか（a′, b′）が描かれている。

生成過程の物理

プラズマ生成の本質は、中性粒子を電離し、生成した荷電粒子が自らの電場や磁場と相互作用しながら電離を増幅する正帰還を成立させることにある。希薄気体に電場を印加すると、宇宙線や自然放射線由来のわずかな初期電子が電場で加速され、衝突電離を起こす。電離率が付着・再結合・壁への拡散による損失を上回れば電子数が指数関数的に増え、降伏（breakdown）が起こって放電が始まる。この条件は印加電場、ガス圧、磁場配置が定める電子の運動エネルギーと閉じ込め時間の積で決まり、背景の中性密度や壁の状態に敏感である。そのため生成実験では、容器のベーキングやボロン化による壁の清浄化、残留ガス密度の制御が生成の成否を左右する実質的な要素となる。

生成は単にプラズマが「ある/ない」の問題ではなく、後続の加熱・電流駆動・閉じ込めの初期条件を決める工程である。生成時の不純物混入や密度の過剰は、その後の放電を低密度・低温の不良状態に固定してしまう。また生成段階でどれだけの磁束（電圧秒）を消費するかは、トカマクでは中心ソレノイドの容量制約に直結する。このため、いかに少ない電圧秒で、いかに清浄で再現性の高いプラズマを立ち上げるかが、生成研究の中心的な評価軸になっている。

トカマクにおける降伏と誘導生成

最も標準的な生成法は、中心ソレノイドの電流を急変させてトロイダル電場を誘導し、容器内の中性ガスを降伏させる誘導生成である。降伏が起こるためには、トロイダル電場が電子を電離に必要なエネルギーまで加速できることに加え、磁力線が容器壁に短絡されず、電子が電離を繰り返せる経路を確保していることが要る。実際の装置では、ポロイダル場コイルや補助コイルの残留磁場（迷走磁場）が磁力線を壁に接触させ、降伏を妨げるため、迷走磁場の補償が生成設計の重要な項目になる。球形トカマクでは中心柱が細く中心ソレノイドの容積が小さいため、この制約がとくに厳しい。

球形トカマク Globus-M での初期オーミック加熱実験は、この制約下での生成の実例を与える。中心ソレノイドの磁束を約100ミリウェーバ（0.1 Wb）に制限した条件下で、トロイダル場0.35 Tのもと、約0.03秒で0.25 MAのプラズマ電流を立ち上げることができ、設計目標の生成が「往復運転（ダブルスイング）」、すなわち磁束を昇降させて繰り返し使う方式で達成可能であることが示された。また、ボロン化による容器コンディショニングの後には背景密度が2×10¹⁸ m⁻³未満まで下がり、壁の影響を排除して外部ガスパフだけで密度を完全制御できるようになった。これは、生成が磁場や電源の設計だけでなく壁との相互作用によっても支配されることを端的に示している。

降伏後の電流立ち上げ段階では、誘導電圧がプラズマ電流を駆動すると同時に磁束を消費する。消費効率、すなわち単位電圧秒あたりに得られるプラズマ電流は、生成時の密度やループ電圧の制御によって改善でき、限られた磁束資源を持つ球形トカマクではとくに重視される。降伏の条件そのものについては、電子サイクロトロン共鳴による予備電離（後述）が降伏電圧を下げ、生成の窓を広げる効果が実験と理論の両面から確認されている。

非誘導生成と補助生成法

中心ソレノイドの磁束に頼らない生成法は、球形トカマクでは特別な意味を持つ。代表例は高周波（RF）による生成で、なかでも電子サイクロトロン共鳴（ECR）を利用する方法が広く使われる。共鳴面で電子が選択的に加熱されることで、印加誘導電圧が降伏しきい値に達する前に局所的に電離が進む「予備電離」が起こり、その後の誘導生成はより低い電圧、より広い運転領域で成立する。START や MAST の球形トカマクでは、複数のRF周波数での ECR 予備電離を併用した生成が系統的に研究され、理論予測と比較されている。ECR 予備電離は Globus-M でも降伏条件への影響が調べられ、誘導生成を補助する標準的手段として定着した。

RF 以外にも、中性粒子ビーム入射や内部電極を用いた電離による生成が研究されてきた。START/MAST では、ポロイダル場コイルや中心ソレノイドの急変による直接誘導、内部電極、RF、これらの併用という一連の方法が開発され、中心ソレノイド磁束を使わない生成法が将来の球形トカマクへの展望として位置づけられた。内部電極を用いる方式は、電極からの不純物混入という代償を伴うため、電極材料や表面処理（例えばコーティングされたカソード表面での低密度プラズマ生成）が独立の研究対象にもなっている。

閉じ込め磁場の形がトカマクでない場合、生成法もそれに応じて変わる。浮上超伝導磁石による双極子磁場配置の装置 RT-1 では、電子サイクロトロン共鳴加熱（ECH）だけで高ベータプラズマを生成・定常維持することが示された。局所ベータ値は70%に達し、電子は約50 keV の高温成分と低温成分の二温度構成（高温成分が約70%）をなし、高温成分の閉じ込め時間は最適な中性ガス圧条件下で0.5秒に及ぶ。磁石支持構造を撤去すると強磁場領域に尖った密度分布が現れることも確認された。この例は、生成と加熱を単一のRF手段で同時に担えること、そして生成法が閉じ込め配置の幾何学と一体で設計されることを示している。

合体圧縮と磁気再接続による生成

誘導・非誘導のいずれとも異なる第三の道が、あらかじめ別々に生成した二つのトロイダルプラズマを合体させる方法である。二つのプラズマを接近させると、向かい合った磁力線がつながり替わる磁気再接続が起こり、その際に解放される磁場エネルギーがイオンの加熱に変換される。東京大学の TS-3・TS-4 での球形トカマク／スフェロマク合体実験は1986年以降この「再接続イオン加熱」を発展させ、1996年には再接続磁場約0.05 T の条件下で、スフェロマク合体で約250 eV、球形トカマク合体で約150 eV のイオン温度を得た。この加熱は再接続磁場の二乗に比例するというスケーリング則（2011年）に従い、装置のサイズによらず再接続磁場（ほぼポロイダル磁場）だけで加熱エネルギーが決まる。この法則は MAST での日英共同実験につながり、再接続磁場約0.15 T で約1.2 keV というイオン温度が実現された。粒子シミュレーションと解析的な運動論・二流体モデルもこの二乗則と整合する結果を与えている。

この方式は「合体圧縮（merging compression）」として START でも採用され、電子温度の測定とともに球形トカマクの生成法の一つに数えられる。生成と加熱が同時に進む点が本質的で、再接続加熱によって直接燃焼・高ベータ状態への入口を開くという戦略に発展した。外部コイルのみで二つの球形トカマクの生成と合体を行う UTST 装置では、真空容器内に中心ソレノイドを持たないまま生成・合体が実証され、中心ソレノイド磁束に依存しない生成という球形トカマクの宿題に対する一つの答えとなった。図は、この一連の合体実験を支えた装置群を示したものである。図には、TS-3U 装置の垂直断面（各種プローブアレイや計測系の配置とともに二つのプラズマが上下から合流する様子）、TS-3U・TS-4・UTST の実機写真、および UTST の断面（真空容器の外側に置かれた外部ポロイダル場コイルと約0.7 m の主要半径）が写っている。

合体生成の応用は球形トカマクに限らない。逆向きの螺旋磁場を持つ二つのスフェロマクを合体させると場反転配置（FRC）が生成され、これにトロイダル磁場を加えて高ベータ球形トカマクへ変換する経路も開かれている（冒頭の図の過程（b））。再接続加熱の物理はスラブ模型や合体トカマク模型を用いたシミュレーションで解析が進んでおり、再接続磁場の二乗則と合体配置の選択肢の広さを合わせると、高磁場での合体実験（TS-6、ST-40 など）を通じて、生成と加熱を一つの操作で済ませる燃焼プラズマへの直接アクセスが現実的な研究課題として位置づけられている。生成が「放電を立ち上げる前処理」ではなく「目的のプラズマ状態を直接作る手段」へと変わったこと自体が、この分野の近年の大きな変化である。