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。

磁気測定と平衡再構成

位置測定の主力は磁気測定である。真空容器壁の内外に配置された磁気プローブ（磁場の変化率を測る）とフラックスループ（磁束を測る）の信号から、プラズマ電流分布を仮定した平衡解を数値的に求め、磁軸位置やセパラトリックス位置を再構成する。実用化されている簡易法として、容器周囲の磁場測定値の組合せからプラズマ電流の重心変位を多極子展開で与える解析法があり、小型装置では離散プローブ配置とこの解析法の整合が検証されている。一方、より高精度を要する形状制御では、サブミリ秒で動くリアルタイム平衡再構成コードが用いられ、これが高度な形状（負三角形成分、スノーフレーク・ダイバータ、ダブレットなど）の制御を可能にする。

磁気測定の信頼性を検証するには、磁気と無関係な手法との突き合わせが有効である。軟X線トモグラフィーによって放射輝度の重心を求め磁軸位置と比較した例では、両手法の合成的な分解能として半径方向2.2ミリメートル、垂直方向3.1ミリメートルという限界が導かれており、磁気測定が系統的なドリフトや磁場依存性を持つことも示された。この種の相互較正は、位置測定系全体の精度保証の基本手段となっている。

磁気によらない位置診断

炉級装置での磁気測定の弱点を補うため、複数の非磁気手法が開発されてきた。いずれも「プラズマ境界近傍の何かを測り、そこから位置を推定する」という発想を共有するが、物理原理は異なる。

反射測定（レフレクトメトリー）は、マイクロ波をプラズマに向け、カットオフ層（周波数に対応した電子密度の層）からの反射信号の往復位相遅れを測ってエッジ密度分布を再構成する。Oモードではカットオフ周波数がプラズマ周波数に等しいため、周波数と密度の対応が解析的に決まり、アーベル逆変換でカットオフ位置が得られる。磁場によらず、空間分解能約1センチメートル、時間分解能1〜10マイクロ秒という性能を持ち、密度層が磁気面に沿うという磁気流体力学的な対応関係を介してセパラトリックス位置を推定する。これを位置測定に特化させたのが位置反射測定（プラズマ・ポジション・リフレクトメトリー）である。

可視光カメラによる光学境界再構成は、プラズマ境界で局在する再結合光などの可視光放射を接線方向から高速度カメラで撮影し、境界のエッジ特徴をリアルタイムに検出してポロイダル断面へ射影変換する手法である。ダイバータ配置プラズマで磁気平衡再構成と1センチメートル以内の一致が得られ、垂直位置のフィードバック制御に実際に用いられた。

遠赤外干渉・偏光測定は、複数チャンネルのレーザー光を利用する。垂直方向の2本の探査ビーム間の位相差は電子線密度の差を与え、密度分布の左右非対称、すなわち水平変位を示す。またファラデー回転（偏波面の回転）は磁場に沿って積分される量であり、磁束面の水平シフトの検出に使える。両者を制御量として用い、2.5秒を超える放電で良好な位置安定性が得られた例がある。軟X線トモグラフィーも前述の通り、放射輝度重心として磁気と独立な位置測定を与える。

これらの手法は磁気測定に代わる単独の主力というより、炉級装置では磁気測定のバックアップ、較正、異常検出の役割を担う方向で発展している。

フィードバック制御と垂直安定性

位置制御系は、測定値と目標値の偏差からポロイダル磁場コイルの電圧・電流を計算し、磁場を変化させてプラズマを押し戻す。制御設計の中心課題は垂直不安定モードの安定化である。導体殼がプラズマの近くにあると渦電流が変位成長を遅くするが、抵抗を持つ殼では成長が止まらず、遅延された不安定モードを能動コイルで抑え込むことになる。このとき制御系の安定条件は殼の時定数、コイルの配置と応答速度、センサーの位置によって決まり、抵抗殼を持つ系での垂直位置フィードバックの安定条件の理論解析や、サドルコイルによる垂直位置安定化の実証が行われてきた。

制御器の設計では、プラズマの応答を剛体的な線形モデルで近似し、制御パラメータを決定するのが通例である。柔軟な断面制御を求める装置では、制御する変数を制御しやすいものから順に並べ、ポロイダル磁場コイル電流のハードウェア上限を常に守るという構成の制御器が提案され、多様な先進配置の放電に適用されている。また、点火近傍で運転する炉ではプラズマの内部インダクタンスやベータの変化が平衡応答を変えるため、運転点の移動にわたって制御が成り立つことが要求される。制御系のソフトウェアも独立の研究対象であり、位置・電流・密度を一つのリアルタイム制御器で扱うアーキテクチャが構築されている。近年は深層学習による位置の予測モデルの構築も試みられている。

ITERとDEMOにおける位置反射測定

将来の炉級装置を念頭に置くと、位置反射測定は最有力の非磁気位置診断とみなされている。ITERでは、高磁場側と低磁場側に反射測定系が設けられ、30〜165ギガヘルツのOモード・Xモード信号が過変導波管で容器外の計測機器まで伝送される。容器内のアンテナや導波管は高温・強中性子環境に置かれるため、導波管の曲がり部の伝送損失や熱機械的設計が詳細に評価されており、電磁波のフルウェーブ解析による測定性能の検証も行われている。ITERの位置反射測定系は第一に反応炉環境下での反射測定の実証を目的とするが、ASDEX UpgradeではOモード反射測定によるエッジ密度分布と干渉計の線密度測定を組み合わせて境界位置をリアルタイムに追跡し、反射測定に基づく位置フィードバック制御が世界で初めて実証された。これはITERで想定される運用形態の実現可能性を示すものである。

DEMOでは位置反射測定は補助ではなく、長パルス・定常運転における位置・形状制御の中核診断として構想されている。複数の反射計を容器壁に沿ってポロイダルに分散配置し、各視線のセパラトリックス位置測定を統合するアルゴリズムで形状を再構成する。設計上の中心課題は、再構成精度を満たしつつ位置誤差を最小化し、信号振幅を確保できる反射計の台数と配置の最適化である。誤差の発生源としては、容器とカットオフ層の間のキャビティ共振やプラズマ・壁間反射、スクレイプオフ層の密度減衰長、乱流による位相擾乱などが挙げられ、これらはフルウェーブシミュレーションと自動化された大規模パラメータスタディで評価されている。容器内の設置空間と環境への耐性の制約に対しては、複数のアンテナ・導波管を増殖ブランケットと一体の小型モジュールに集約するスリムカセット構想が検討されている。位置反射測定系の設計はDEMOの全体設計の進化と歩調を合わせて更新される途上にあり、確立されたのは測定原理とASDEX Upgradeでの制御実証、ITERでの実装設計までである。