半径方向輸送

半径方向輸送とは、磁場閉じ込めプラズマにおいて粒子や熱が磁力線を横切って、プラズマ中心から外へ(あるいは外から内へ)移動する現象である。トーラスやミラーなど閉じ込め装置の目的は粒子・エネルギーを磁力線に「沿って」閉じ込めることにあるが、実際のプラズマは常に何らかの横方向の流れを持ち、それが密度・温度・不純物の半径方向プロファイルを決める。輸送が速すぎれば閉じ込め性能が失われ、遅すぎればヘリウム灰や不純物が中心に溜まって燃焼が阻害される。したがって半径方向輸送の理解と制御は、核融合炉の定常運転設計の根幹をなす問題である。

トーラス閉じ込めにおける半径方向輸送：定義と磁気面の枠組み

トーラス型閉じ込め装置では、磁場が入れ子状のトロイダル磁気面を形成し、1次元輸送モデルはこの磁気面を標識する一つの半径座標の上で定式化される。磁気面に沿って平均した粒子束 Γ と密度勾配 ∇n を結び付ける Γ = −D∇n という拡散形の表記が標準であり、D が粒子拡散係数、熱輸送なら χ が熱拡散係数である。輸送係数の大きさとその半径方向分布(特に中心で小さく端で大きい形)が、密度プロファイルやエネルギー閉じ込め時間をほぼ決めてしまう。

この枠組みの前提は磁気面が「良い」曲面であることだが、実際の装置では磁気島やカオス的な磁場領域が存在する。磁気島の内部では磁気面が破れ、島の幅に相当する半径領域にわたって温度・密度がほぼ平坦化される。島領域を輸送計算から除外し、島の幅に応じて座標と計量係数を修正すれば、1次元輸送計算は島を含む配位にも適用できる。ヘリアックやヘリオトロンでの実測では、島が小半径位置を移動するときのプロファイル変化を幾何学的効果だけでは説明できず、島が熱の「シンク」として働く効果を勾配―束の関係に組み込む必要があることが示されている。また、静電的揺らぎによる端部の輸送は、磁力線に沿った磁束管内で密度・電位・温度の揺らぎが同位相・高相関でほぼ一定振幅であるという観測事実を踏まえると、磁束面間隔(磁束展開)の2乗に比例する係数で記述すべきであることが指摘されている。つまり半径方向輸送は単一の「係数」ではなく、磁場幾何と揺らぎ構造の両方に強く縛られた現象なのである。

トーラスに限らず、逆磁場ピンチ、バンピートーラス、タンデムミラー、低温環状プラズマ、など、全般で半径方向輸送は中心課題であり、装置ごとに駆動機構(衝突拡散、波との相互作用、電場回転による輸送など)が異なる。ミラー装置では中心セルから外向きのが観測され、(高周波)波がトークマク中のイオン半径方向輸送を誘起することも知られている。さらに、例えばランナウェイ電子やアルフベン固有モードと共鳴したエネルギー粒子も、固有モードとの位相空間上の相互作用を通じて半径方向に輸送され、磁気の構造進化に有限な半径方向輸送が影響しうる。