プラズマ位置

プラズマ位置とは、トカマクなどの閉じ込め装置内でプラズマ柱の中心や境界（セパラトリックス）が真空容器の基準位置からどれだけずれているかを表す量であり、水平（主半径方向）位置と垂直位置、さらに断面形状のずれを含む。プラズマは自らが持つ電流と外部コイル磁場の釣り合いで浮いているため、位置は放置すればただちに動き出す。したがって位置は「測る対象」であると同時に「制御の対象」であり、位置測定は磁気診断と制御系を結ぶ中核的な診断分野をなす。図は、プラズマ位置反射測定で用いられる視線方向の幾何学を定義したものであり、壁面とセパラトリックスの位置、探査波とセパラトリックスのなす角、壁とセパラトリックスに沿う速度ベクトルなどが描かれている。

プラズマ位置を測り、制御しなければならない理由

トカマクのプラズマ柱は、その内部を流れるプラズマ電流が作る自己磁場と、外部のポロイダル磁場コイルが作る磁場との合力で平衡を保っている。この平衡は本質的に不安定であり、特に垂直方向の伸長した断面（細長いダル型断面）を持つプラズマは、垂直方向に指数関数的に成長する変位モードを持つ。成長時間は装置の導体殼の時定数で決まり、大型装置では数十ミリ秒程度しかない。位置制御が失われればプラズマは壁に衝突してディスラプションを起こし、第一壁やダイバータ部材に深刻な損傷を与える。このため位置測定とフィードバック制御は機器保護の最前線にあり、運転中リアルタイムで、ミリ秒より速い周期で実行されなければならない。

測定の難しさは、プラズマが「固体ではない」ことにある。位置そのものを直接読み取る手段はなく、磁場や電磁波、光の測定から平衡を逆算する。さらに将来の炉級装置では、磁気測定の弱点が顕在化する。磁気プローブの信号は積分器を経由するため長パルス運転ではドリフトが避けられず、また強い中性子・ガンマ線環境ではプローブ配線に放射誘起電圧が生じて偽信号が混入する。これらは平衡再構成を劣化させ、位置制御の喪失、ひいては放電の早期終了につながり得る。この事情が、磁気によらない位置測定手法の開発と、複数手法の相互検証を促してきた。