共鳴磁場摂動

共鳴磁場摂動（resonant magnetic perturbation、RMP）とは、トカマクなどの軸対称磁場閉込めプラズマに対して、外部コイルから意図的に加えるトーラス方向に非軸対称な弱い磁場擾乱のうち、プラズマ中の有理磁面（磁場が閉じる面）に「共鳴」する成分を指す。擾乱の大きさは主磁場の10⁻⁴程度ときわめて小さいが、プラズマ縁の磁場構造と輸送を三次元的に変化させる力を持つ。その最大の用途は、高閉込めモード（Hモード）で周期的に発生するエッジ局在モード（ELM）の抑制であり、2003年にDIII-Dで世界初のELM完全抑制が実証されて以来、KSTAR、EAST、ASDEX Upgrade、MASTなど主要装置で再現され、ITERの基本設計にも炉内ELM制御コイルが組み込まれるに至った。

Hモード、ELM、そして縁の制御の必要性

Hモードプラズマは、縁に急峻な圧力勾配を持つ輸送障壁（ペデスタル）を形成することで高い閉込め性能を実現する。しかしペデスタルの圧力勾配と並行電流密度が成長すると、ピーリング・バルーニング（peeling-ballooning）不安定がトリガとなり、type-I ELMと呼ばれる準周期的な爆発的輸送イベントが起こる。ELMのたびに粒子と熱がダイバータや第一壁へ急速に放出される。ITERのような大型装置では、この瞬間熱負荷はダイバータ表面で材料の損傷限界（過渡的に約20 MW/m²）を超えると推定されており、対処しなければプラズマ対壁材の寿命を著しく縮める。そこで、ELMを「緩和」する（規模を小さくする）か、あるいは「完全に抑制」するかの二段階の制御が求められ、RMPは後者まで達成できる数少ない手法として主戦略の座にある。

RMPの原理は、外部コイルで縁の磁場にらせん状の歪みを与え、ペデスタルの安定性と輸送を変えることにある。擾乱を加えると分離線（セパラトリックス）はらせん状に波打ち、X点近傍ではカメラ画像に「ローブ（葉片）」構造として現れる。この三次元幾何が、後述するようにELM抑制の利点とダイバータ熱負荷の新たな課題の両方の源となる。

RMPコイル系と三次元磁場幾何

RMP場は、真空容器内に設置されたコイル列によって発生させるのが標準である。DIII-Dをはじめ多くの装置では窓枠型の炉内コイルが上下数列に配され、各列の電流振幅と列間のトーラス位相（コイル位相）を調整することで、所望のトーラスモード数 n（n = 1〜3 が典型）の擾乱スペクトルを作る。KSTARは上・中・下の三列コイルを備え、ITERと同様の構成で多様な位相設定を試せる点で特徴的である。ITERも三列の炉内ELM制御コイルを計画しており、隣接列の擾乱を縁の磁力線のらせんピッチに揃えることで、振幅・位相を含む多次元の設定空間の中から最適点を探すことになる。

図はKSTARの装置断面と炉内ELM制御コイルの配置を示す。(a) は三列のRMPコイル位置、燃料ガスと不純物シードの注入口、ダイバータ熱負荷を測る赤外カメラの視野を、(b)(c) はそれぞれKSTARとITERの炉内コイルの立体配置を示し、両者が同様に三列の非軸対称磁場を発生できることが分かる。

コイル幾何は擾乱の極方向スペクトルを制約する。窓枠型コイルでは幾何由来の望ましくないサイドバンドが生じうるため、コイル位相の調整で最適化するのが普通である。近年はこの制約を超える試みとして、恒星器型装置のコイル最適化手法を転用し、プラズマ外側の仮想的な面電流を極方向スペクトルについて最適化すると、最適解がらせん状の電流パターンになることが示された。同じ総電流であれば、最適化した単一列のヘリカルコイルが、最適位相の窓枠型コイルよりELM制御の指標で優るという計算結果は、将来のコイル設計の自由度を広げる可能性を示している。

プラズマ応答：遮蔽、磁島、場の侵入

真空磁場そのものがそのままプラズマに効くわけではない。回転するプラズマは共鳴成分を電気的に「遮蔽」する傾向があり、これがRMP物理の核心である。ペデスタルの急峻な勾配領域では E×B 回転と反磁性流が強く、共鳴場は強く遮蔽される。一方、回転が遅い領域や、擾乱振幅が遮蔽閾値を超えると、共鳴場はプラズマに侵入して磁面を破り、有理磁面上に磁島を形成する。磁島の幅は擾乱振幅と局所のせん断で決まり、隣接する有理磁面上の磁島が重なり合えば磁力線の確率的（ストカスティック）領域が生じる。

したがってRMPの効果は、真空場のスペクトルだけでなくプラズマ応答に強く依存する。プラズマ回転、q95（正規化ポロイダル磁束95%位置の安全係数）、プラズマ形状、全体の圧力が応答を左右し、特に縁の多モード・キンク応答が縁の擾乱を増幅してELM抑制に有利に働くことが、実験とMHDモデル（IPEC、MARS-F、M3D-C1、JOREKなど）の検証で確立されつつある。応答計算なしにはコイル電流の最適設定を予測できないため、線形応答コードによる指標評価と、非線形シミュレーションによる少数点の詳細検証を組み合わせるのが現在の標準的アプローチである。

遮蔽と侵入のバランスは繊細で、操作誤ると制御が破綻する。DIII-Dの解析では、E×B遮蔽流が弱い劣化Hモード状態では、ペデスタル下部のE_r井戸近くで共鳴場が侵入し、近接する有理磁面上の磁島が重なってペデスタル全体が崩壊する機構が示された。ELM抑制に必要な擾乱振幅とペデスタル崩壊の閾値が近いと、抑制の運転窓が大きく狭まる。このため侵入閾値の回転・密度・抵抗率依存性の定量化が、ITER外挿の鍵の一つになっている。

ELM抑制と密度ポンプアウトの機構

ELM抑制の物理像は、非線形二流体MHDシミュレーションによってかなり具体的になってきた。中心描像は「ペデスタル頂上と足元の磁島」である。ペデスタル頂上に形成される磁島（幅は小半径の1〜2%程度と細い）は、ペデスタルが不安定な幅まで成長するのを妨げ、ピーリング・バルーニングモードの安定化をもたらす。これに対しペデスタルの足元（抵抗層）にできる細い磁島は、平行方向の衝突輸送を増強して粒子を外へ汲み出し、観測される密度低下——密度ポンプアウト——を定量的に説明する。幸いにも、勾配の最も急峻な領域での侵入閾値は頂上や足元より有意に高いため、輸送障壁を保ったままELM抑制とポンプアウトを達成できるというのが、DIII-D類似形状プラズマでの定量的理解である。

この機構は実験の諸制約をよく再現する。ELM抑制は分離した狭いq95窓の中でのみ起こること、抑制開始時にミリ秒程度の速い分岐（回転と磁場擾乱の急変）が観測されること、抑制へのアクセスに回転の下限とペデスタル密度の上限（グリーンワルド密度の半分程度）があること、などが磁島形成・場の侵入モデルと整合する。抑制閾値は密度とE×B回転に依存し、回転が遅く垂直輸送が弱いほど遮蔽が弱まり閾値が下がる。ITERでは回転が現在の装置より大幅に低く密度が高いことが予想されるため、遮蔽が弱まる方向に働き、必要なコイル電流は設計能力内に収まるという予測と、ペデスタル崩壊のリスクという懸念の両方が残されている。抑制状態の微調整手段として、縁への電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）の併用も調べられており、電流方向と印加位置によって磁島を安定化・不安定化できることが示されている。

ダイバータフットプリント、副作用、ITERの展望

RMP印加時の最も目に見える効果はダイバータへの熱・粒子フラックスの変化である。X点近傍にできるローブ構造がダイバータと交差すると、ストライクポイントの分裂と呼ばれる非軸対称な縞状フラックスパターンが生じる。NSTXやMASTでは、RMPが誘起する定常的な三次元フィラメント（プラズマの細い塊）が中平面からダイバータまで伸び、その足跡が熱フラックスの縞と一致することが観測された。擾乱を回転させなければ縞も定常であり、これはMHD活動による回転する縞とは対照的である。

図はn = 3のRMP印加時の磁力線追跡によるフットプリント計算を示す。(a) はトーラス方向に並ぶストライクポイント分裂の縞模様、(b) はX点近傍に形成されるローブ構造がダイバータ面へ落ちる様子を描いており、観測される縞状熱フラックスの起源を与える。

ELMが消える分、定常熱負荷はむしろ増える。KSTARやEASTでは、RMPによるELM抑制状態のダイバータピーク熱流は、ELMありHモードのELM間定常値の2〜3倍以上に達しうる。対策は不純物シードとガスパフによる放射損失の増強（放射ダイバータ・部分脱着）だが、RMP下では単純に密度を上げると抑制が失われやすい。三次元磁場幾何に合わせたコイル位相の最適化、窒素シード、拡散的な燃料ガス供給を組み合わせ、分離線近傍と分離線外の熱流を同時に下げつつELM抑制と部分脱着を維持できたというKSTARの成果は、熱排気とELM抑制の両立が可能であることを示した最初の例である。

副作用は熱負荷だけではない。RMPはHモードへの遷移閾値を上げ、ある程度の閉込め劣化を伴う。一方でRMPの三次元場は粒子排出にも利用でき、ヘリウム排出の強化がLHDやTEXTORで、冷たいアルファ粒子の横磁場フラックス制御がヘリカル装置で示されるなど、ELM制御以外の応用も広がっている。ITERでは燃焼プラズマ運転（15 MA、5.3 T、q95 ≈ 3.1、Q = 10）を想定し、n = 3擾乱を中心にコイル設定空間の走査、ダイバータ脱着との両立、低回転・高密度環境での侵入閾値の評価が進められている。ELM抑制に必要なコイル電流が設計範囲内に収まるという非線形モデルの予測は有望だが、回転と密度の差がもたらす不確実性、そして放射ダイバータ条件との統合が、次の段階で解決すべき主要課題である。