抵抗性壁モード

抵抗性壁モード（resistive wall mode, RWM）とは、トカマクや反転磁場ピンチ（RFP）などの環状磁場閉じ込めプラズマにおいて、理想伝導体の壁で安定化されるはずの低次の外部キンクモードが、壁の有限の電気抵抗のために再び不安定化して現れる、ゆっくり成長する磁気流体力学（MHD）不安定モードである。プラズマを囲む真空容器や安定化シェルのような導体は、渦電流を誘導することでキンク変形を一時的に支えるが、その電流は壁の抵抗によって減衰する。その結果、モードの成長はアルフヴェン時間のような速い時間尺度ではなく、壁の磁束拡散時間 τ_w という遅い時間尺度に律速される。この「遅さ」こそがRWMの本質であり、制御しうる唯一の主要なMHD不安定として、高ベータ運転の成否を左右する物理の中心課題となっている。実際、RWMは先進トカマク運転における正規化ベータの主要な制限因子として観測されており、その安定化は回転による受動的安定化と、制御コイルを用いた能動的磁気フィードバックという二本立てで研究されている。

序論：壁に律速されるキンクモードと抵抗性壁の役割

トカマクの性能指標である正規化ベータ β_N = βaB/I（βはプラズマ圧力と磁気圧力の比、aはプラズマ小半径、Bは磁場強度、Iはプラズマ電流）は、ブートストラップ電流割合や核融合出力密度とともに増加するため、将来の炉では可能な限り高いβ_Nが望まれる。しかしβ_Nを上げると、プラズマを外側から押し潰すような低次（トロイダルモード数 n = 1 など）の外部キンクモードが不安定になる圧力限界に達する。この限界を超えたプラズマを、プラズマ表面近くに置いた導体壁が支える。壁が理想伝導体であればキンクモードは完全に安定化されるが、現実の壁は有限の抵抗を持つため、壁に誘導された電流が減衰する時間スケールでモードがゆっくりと成長する。これがRWMである。つまりRWMとは、理想壁限界と無壁限界という二つの安定性限界の間の領域で現れる、壁の抵抗によって「生き延びた」キンクモードなのである。

RWMが制御対象として特別扱いされるのは、まさにその成長が遅いからである。アルフヴェン時間（マイクロ秒以下）で暴走する不安定とは異なり、RWMの成長率は τ_w の逆数程度であり、これは典型的にはミリ秒から秒のオーダーである。この時間スケールなら、プラズマの周りに配置した非軸対称コイルで磁場を作り、モードの変形を打ち消すフィードバック制御が電子技術的に間に合う。実際にや、、EXTRAP T2Rといった装置でが実証されており、制御系の設計はVALENのような有限要素モデルに基づいて行われるのが標準的である。RWMフィードバック用のコイルと磁気センサーがプラズマ周囲にどう配置されるかを、VALENモデルによる表現で示す。