PLT

PLT(Princeton Large Torus、プリンストン大型トーラス)は、アメリカ合衆国のプリンストン等离子体物理研究所(PPPL)で1970年代から1980年代にかけて運用されたトカマク実験装置である。主要プラズマ実験装置として中型トカマクの中で最も成果を挙げた時期の一つであり、中性粒子ビーム入射(NBI)と高周波加熱(ICRF、下部混成波など)による追加加熱の先駆的研究、非誘導電流駆動の実証、不純物輸送や高エネルギー粒子の診断技術の開発など、後の大型装置(TFTRなど)につながる幅広い知見を生み出した。

装置と実験計画

PLTは、当時の大型トカマクとして設計され、オーミック(誘導)加熱のみでも高いプラズマ温度を実現できる中規模の装置であった。その規模は、プラズマ中心部の挙動とプラズマ表面(端部)の効果を分離して研究するのに十分な大きさであり、同時に柔軟で多様な実験運転を可能にした。この「中間的な大きさ」であることが、PLTの実験計画の特徴を規定していた。すなわち、一つの装置で加熱手法・電流駆動・不純物制御・粒子輸送といった多岐のテーマを、比較的短期間の改修を繰り返しながら体系的に調べることができたのである。

実験計画の中心には、オーミック加熱に加えて中性粒子ビーム入射とイオンサイクロトロン周波数帯の高周波加熱(ICRF)という二大追加加熱手法の研究があった。これらの手法の改良により、当時のイオン温度の記録が達成され、核融合プラズマとして必要な温度領域への到達可能性が実証された。さらに、下部混成波を用いた非誘導電流駆動がこの装置で実証され、トカマクを変圧器の磁束に頼らずに定常運転する道が開かれた。これらの成果は、高性能なプラズマ診断、大電力高周波システム、そしてプラズマと接する壁材の工夫という三つの技術開発があって初めて可能になったものであり、装置そのものよりむしろ「装置と診断・加熱システムを一体として発展させる」運営方針がPLTの特徴であった。

追加加熱：中性粒子ビームとICRF

中性粒子ビーム入射は、水素または重水素のイオンを加速・中性化してプラズマに注入し、荷電交換によってプラズマ中で電離させてエネルギーを渡す手法である。PLTでは、順方向(プラズマ電流と同方向)と逆方向の入射、あるいはその両方の組み合わせについて系統的に比較が行われ、ビーム入射時のプラズマのトロイダル回転がドップラー測定によって調べられた。ビームなしの放電でも、プラズマ中心部では電流と逆向き、周辺部では順方向という小さな一様でない回転が存在し、そこから推定される中心部の径方向電場は約40 V/cm、端部では約10 V/cm に達する。回転の時間発展と径方向分布のモデル化から、有効な運動量拡散係数として 1〜5 × 10⁴ cm²/s のオーダーが得られた。また、ビーム入射によって閉じ込められた高エネルギーイオンの挙動については、バナナ軌道のトラッピング(局所磁気鏡に捕まる効果)の影響が観測され、ビームイオンの軌道論的な挙動が実験的に確認された。

ICRF加熱では、3Heマイノリティ加熱などイオンサイクロトロン共鳴を利用したイオン加熱が中心テーマであった。イオン・バーンストーン波(IBW)による加熱の研究も行われ、低出力レベルでは、同じICRF帯の速波加熱や中性ビーム加熱と比べて粒子閉じ込め時間が改善する可能性が示されたが、エネルギー閉じ込めのスケーリングを確定できるほどの出力には当時は至らなかった。加熱効率の評価には放射損失の定量的な把握が不可欠であり、分光・ボロメータ・軟X線診断を用いて、追加加熱時の放射損失が系統的に測定された。比較的清浄なプラズマでは全放射損失は全入力の30〜60%に達するものの、プラズマ中心部から放射されるのは中心への入力の10〜20%にすぎず、加熱の主体はイオンと電子に効率的に伝わっていた。ICRF加熱時の放射損失は、同出力の順逆両方向ビーム入射の場合と同等かそれ以上であり、当時利用可能な最大0.65 MWまでの範囲で、放射損失はICRF入力に対して線形よりやや緩やかに増加した。

下部混成波電流駆動とRF物理

下部混成波(LH)は、周波数がイオンサイクロトロンと電子サイクロトロンの間に位置する波で、プラズマ中の電子に平行電流を与えることができる。PLTでは、波導管アレイ(グリル)から下部混成波を入射してプラズマ電流を直接駆動する実験が行われ、非誘導電流駆動の原理が実証された。これは、トカマクの定常運転という長年の課題に対する最初の重要な実験的答えの一つである。

電流駆動の効率は、入射する波の平行波数(n∥ = k∥c/ω)スペクトルに強く依存する。従来のカップリング構造は自由空間波長より小さく、n∥スペクトルが広がっていたが、PLTでは自由空間波長の2.2倍に達する16波導管グリルが用いられ、非常に鋭いn∥スペクトルを持つ入射が実現した。この狭スペクトルグリルを用いた実験では、電流駆動の効率指標が従来のPLT実験より約40%向上し、その結果は入射スペクトルの大部分が一回目の通過で減衰する「ファーストパス減衰」の描像と整合した。これは、スペクトル幅と駆動効率の関係、および波の伝播・吸収過程の理解を深める重要な知見となった。

下部混成波電流駆動は、MHD(磁気流体力学)活動の制御にも応用された。中心部にピークを持つLH電流駆動を加えることで、中心のm=1モードやソートゥース振動の安定化が得られ、中心電子温度は「プロファイル一貫性」と呼ばれる経験的制約を超えて約5 keVまで尖った分布を形成した。このとき電子エネルギー閉じ込めはオーミック時よりむしろ改善しており、電流プロファイルの制御が閉じ込め性能を変えうることを示す初期の例となった。また、ブレームストラーリング放射に基づく電子分布関数のモデル化や、シフトした周波数での電子サイクロトロン吸収の研究など、RF入射とプラズマ中の電子の相互作用を調べる幅広い実験がこの装置で行われた。

不純物放射とプラズマ・壁相互作用

トカマクプラズマの性能は、プラズマと接する壁から侵入する不純物(酸素、炭素、金属原子など)によって強く制約される。不純物は電子の衝突励起・再結合によって放射を増大させ、加熱したエネルギーを奪う。PLTでは、この不純物放射の制御が実験計画の重要な柱であり、放電洗浄、真空容器壁のゲッタリング(活性金属による吸着)、ガス導入速度の調整といった壁コンディショニング手法の効果が、オーミック放電の放射損失の変化として定量的に評価された。また、水素の大量流入が不純物放射と放射損失エネルギーに与える影響も調べられた。

追加加熱は不純物問題を別の形で浮き彫りにした。中性ビームやICRFによる高出力入射は、プラズマと壁の相互作用を活発化させて不純物の流入を増やす一方、荷電交換再結合による電荷状態分布の変化という、放射を増やす別の機構ももたらす。タングステンを壁材の一部に用いた実験では、タングステン由来の放射が放電の挙動に与える影響が観測され、高Z(原子番号の大きい)金属をプラズマ対向材とすることの困難が示された。これらの研究は、後の大型装置における壁材選定と不純物制御戦略の基礎となった。プラズマ端部の研究では、ポンプドリミター(排気機能を持つリミター)の背後から放出される高エネルギー中性粒子の測定も行われ、端部プラズマの性質が調べられた。

診断と輸送測定

PLTの実験的成果を支えたのは、当時最先端だったプラズマ診断の開発と運用である。イオン温度の径方向分布は、核融合反応 d(d,p)t で生じる陽子を表面障害検出器で数えるという手法で測定された。この方法では、近接した二つの径位置でのイオン温度勾配を単一の検出器で測ることで相対校正の誤差を排除でき、局所的な輸送係数の評価が可能になった。こうして得られたイオン温度勾配をイオン・エネルギー収支解析に用いると、3HeマイノリティICRF加熱プラズマでのイオン熱拡散係数は新古典論(チャン=ヒントン理論)の値の2倍以内であり、イオン熱輸送が理論的に近い挙動を示すことが示された。これは、オーミック加熱プラズマでしばしば見られる異常輸送と対照的な結果として、イオン輸送の理解を進めるものであった。

不純物イオンの輸送は、アルミニウムなどレーザー蒸着による不純物注入を診断手段として使う手法で調べられた。注入された不純物の空間分布と時間発展を分光で追うことで、不純物の拡散係数と対流速度が評価され、中性ビーム入射時の不純物輸送の変化が明らかにされた。中心部のヘリウム密度も測定され、核融合生成物としてのヘリウム(灰)の閉じ込めという将来課題への足がかりが得られた。

高エネルギー粒子の研究もPLTの特徴である。重水素ビーム入射時の核融合中性子の生成、ICRF加熱プラズマからのアルファ粒子様生成物(高エネルギーの3Heやトリトン)の空間分解測定、核融合で生じたトリトンや3Heイオンの燃焼率の測定などが行われた。また、高エネルギー・ランナウェイ電子のリミターへの流入のソートゥース振動に伴う変動や、リミターの光核反応活性化から推定されるランナウェイ電子の輸送など、超高温電子集団の挙動も光核反応という独特の診断で調べられた。これらの診断技術と測定手法は、プラズマ中心部と端部を分離して研究できるというPLTの装置的特徴と相まって、閉じ込め物理の実験的基礎を確立する役割を果たした。