逆磁気シア

逆磁気シア（reversed magnetic shear）とは、トカマクプラズマの安全係数 q（磁力線がトーラスを一周するまでにポイダル方向に何周するかを表す無次元量）が中心部で極小値 q_min をもち、そこから内側では半径とともに減少する、すなわち磁気シア s = (r/q)(dq/dr) の符号が中心部で負になる磁場配位のことである。通常のトカマクでは q は中心から外へ単調に増えるが、逆磁気シアでは中心部に「くぼみ」をもつ非単調な q 分布になる。この配位は単なる磁場形状の変化ではなく、輸送障壁形成・高効率電流駆動・アルフベン安定性など、炉に直結する一連の物理を引き起こすため、定常運転シナリオの物理基盤として各国の大型装置で体系的に研究されてきた。

図は、逆磁気シア配位（青）と通常の単調増加配位（赤）の q 分布を規格化小半径 ρ に対して示したものである。青の曲線が中心部で極小値をもち、その内側で q が外向きに減少する（シアが負の）領域が存在するのに対し、赤は単調に増加する。この q_min 面の位置と、そこを挟む負シア領域の広さが、以下に述べる諸現象の空間スケールを決める。

定義と q 分布の幾何

安全係数 q はプラズマ電流分布の「裏返し」であり、中心電流密度が低く周辺に集中した分布では中心部で q が高くなる。逆磁気シアは、q の極小面 r = r_min を境に、内側で s < 0、外側で s > 0 となる二重構造をもつ。特に r_min 面近傍では s ≈ 0 となり、磁気シアが消える。これは局所理論の前提を崩す重要な点である。通常のバルーニング対称性を仮定した局所解析では、s ≈ 0 の領域で磁場がモード構造を規制する役割を失い、圧力や分布の大域的効果が一次量として効いてくる。したがって逆磁気シアプラズマの安定性・輸送は、局所パラメータだけでは決まらず、q_min 面を挟んだ有限半径領域の大域的性質に支配される。

q 分布の形は「弱逆シア」から「強逆シア」まで幅があり、q_min の深さと r_min の位置で特徴づけられる。実験では q_min がプラズマ中心近くに保たれる場合も、外側（例えば ρ ≈ 0.6–0.7）に置かれる場合も研究されており、r_min の位置は輸送障壁の半径位置やアルフベン固有モードの局在を決める鍵となる。

逆磁気シアの形成と維持（電流分布制御）

逆磁気シア配位は、プラズマ電流が中心部にまだ広がっていない電流立ち上がり期に中性粒子ビーム等で加熱し、中心電流の浸透を遅らせることで「事前形成」するのが基本である。トカマクの電流は本来、誘導電場による中心加熱的な拡散で単調分布に緩和していくため、問題は形成後の維持にある。ここで中心的な役割を果たすのが非誘導電流駆動、とりわけ低域混成波電流駆動（LHCD）である。JT-60U では、電流立ち上がり期に形成した逆シア領域が小半径の約 65 % に及ぶ配位を、LHCD によって 7.5 秒間非誘導的に維持し、しかも LHCD の投入配位を調整することで、プラズマ電流やトロイダル磁場を変えずに逆シア領域の広さを能動的に修正できることが示された。この「維持」と「修正」の両方が可能であることは、q 分布が外部制御量になりうることを意味する。

もう一つの本質的な要素はブートストラップ電流である。圧力勾配が作る自己生成電流は、輸送障壁が形成されて圧力分布が急峻になると、まさに障壁位置に局在する。このため逆磁気シアシナリオでは、外部駆動電流を q_min 位置の制御に使い、障壁位置の電流をブートストラップ電流に担わせるという分業が成立する。高三角形状性・高 q の運転ではブートストラップ電流割合が約 80 % に達し、完全非誘導電流駆動の条件に近づくことが実証されている。定常炉構想がこの配位を目指す理由がここにある。一方で、電流分布は加熱・燃料供給・MHD 活動の影響で緩和するため、q_min の位置と深さを実時間でフィードバック制御する技術がシナリオ成立の要となる。

q_min 近傍の内部輸送障壁と乱流抑制

逆磁気シアが注目されてきた最大の理由は、q_min 面近傍に内部輸送障壁（ITB）が形成されやすいことである。ITB とは、プラズマ中心部にエッジの H モードとは独立に形成される温度・密度の急峻化領域であり、そこでは異常輸送が強く抑制される。形成機構には複数の要素が働く。第一は、負の磁気シアがイオン温度勾配駆動（ITG）モードや捕獲電子モード（TEM）などの微視的不安定性を安定化する方向に働くことである。大域シミュレーションや ADITYA-U をモデル化した解析では、逆シア配位では通常波長の ITG モードの線形成長率とイオン熱輸送が単調シアの場合より低減されることが示されている。ただし単純ではない。短波長 ITG モードは逆シア下でむしろ不安定化され、臨界勾配が高くなるなど、波長帯ごとに応答が異なる。非線形レベルでは、低波数帯の拡散率が逆シアで低下する一方、高波数帯への寄与はあまり変わらず、全体としての熱拡散率は低減される。

第二の要素は E×B 剪断流とゾーナルフローである。乱流は自らが作るポイダル方向フローの剪断によって壊されるが、q_min 近傍ではゾーナルフローの性質自体が磁気シアの符号と q の値に依存して変化することが大域流体シミュレーションで示された。q が高い領域では測地音響モード（GAM）と呼ばれる振動型ゾーナルフローが支配的となり輸送抑制が効かないが、q が十分低くなって GAM が減衰するようになると、q_min 面近傍で乱流輸送が顕著に減少する。つまり障壁形成には「q_min があること」に加えて「q_min の値が十分低いこと」が要る。

第三に、非局所効果がある。q_min 面を挟んで磁気シアの符号が変わるため、トロイダル的に結合した大域的ドリフト波モードは q_min 面を境に位相関係を保てなくなり、面の両側で構造が分断される。この不連続性（ギャップ）が形成されると、q_min 面をまたぐ乱流の位相結合が切れて輸送が抑制され、障壁が期待できる。この分断の成立効率は半径電場とそれに伴う剪断流の有無に依存する。実際、乱流強度の空間分布を単調シアと逆シアで比較した非線形シミュレーションでは、逆シアの場合に乱流強度の時間発展が単調シアより顕著に抑制されることが示されている。

図は、単調磁気シア（左）と逆磁気シア（右）の q 分布下での乱流強度の空間分布の時間発展を比較したものである。逆シアの場合（右）には、後期時刻（t ≈ 2×10⁵）の乱流強度が単調シアの場合に比べて大きく低減しており、逆シア配位が乱流輸送を抑制する効果を直接示している。

形成された ITB の性能は、JT-60U の高電流・低 q 運転で等価重水素・三重水素の融合乗数 Q_DT,eq = 1.25（2.6 MA）が達成されるなど、装置記録級の閉じ込め性能につながった。ただし ITB は硬直的ではない。入力パワーが臨界値を下回ると ITB は形成されず、非単調 q 分布でも通常の L モード的な強い分布拘束（プロファイルの一様性・硬さ）が支配的となる。ITB の劣化を制御して圧力分布を広げることが β 限界の改善に有効であるなど、障壁の「質」の制御が性能を左右する。

逆磁気シアにおける MHD とアルフベン固有モード

逆磁気シアは MHD 的に両刃の剣である。良い面としては、適切な電流分布は MHD 活動に対して安定であり、JT-60U の LHCD 維持実験では MHD 活動に対して安定な放電が得られている。悪い面としては、低 q_min・低 β の放電では破局（ディスラプション）に至る MHD 不安定性が問題となり、磁気島形成と回転の関係、新古典ティアリングモードが引き起こす爆発的バーストの抑制（電子サイクロトロン電流駆動による制御）などが研究されてきた。また、逆シア配位では抵抗壁モードの安定性も q 分布の符号に影響される。

逆磁気シアに特有な最も重要な MHD 現象は、逆シアアルフベン固有モード（RSAE、あるいはアルフベン固有モードの周波数が時間とともにチャープする挙動から「ゆっくり下降・上昇する固有モード」とも呼ばれる）である。アルフベン連続体スペクトルは局所の q と磁気シアに依存し、単調シアでは連続体の間にギャップが開いてトロイダルアルフベン固有モード（TAE）などが存在する。逆シアでは、q_min 面で連続体が極小値をもち、そこに「井戸」が形成される。このため、RSAE は q_min 面に強く局在し、その周波数は q_min の値の時間変化にほぼ直接追従して上下する。これは単調シアの TAE にはない顕著な特徴である。

図は、逆シア q 分布下でのトロイダルモード数 n = 2, 6, 13 のアルフベン連続体スペクトルを周波数対 ρ で示したものである。q_min 面近傍で連続体が極小となり、そこに周波数の「井戸」が形成され、モードがこの井戸に局在する様子が見て取れる。n が大きいほど井戸の構造が顕著になる。

RSAE が重要なのは、線形安定性閾値が TAE など単調シアの固有モードより低いことが多い点である。高速イオン（将来の燃焼プラズマでは 3.5 MeV のアルファ粒子）はこの井戸に共鳴し、モードを駆動して輸送される。圧力勾配の有限効果によって RSAE の理論が修正されること、電子サイクロトロン加熱が圧力分布を変えることで RSAE 活動を劇的に変化させること、コア局在型のモードが熱イオン輸送を引き起こすことなどが、DIII-D、JET、HL-2A などの実験と理論で明らかにされてきた。ITER の定常運転シナリオを対象にした非線形シミュレーションでは、逆シア配位では単調 q 分布の同等のケースに比べて、より低い線形安定性閾値をもつアルフベン不安定性のクラスが開くことが示されており、燃焼プラズマでのアルファ粒子加熱の定常性を脅かす可能性が指摘されている。一方で、コア局在モードを利用してアルファ粒子のエネルギーをイオン加熱に変換する「アルファチャネリング」的な発想も提案されている。

定常炉シナリオとしての逆磁気シア

逆磁気シア配位が炉設計の候補とされる理由は、q 分布とブートストラップ電流の自然な整合にある。圧力勾配が生むブートストラップ電流が、まさに望ましい電流分布（中心部で低く、障壁位置で局在する分布）を自ら作り出す。このため、変圧器による誘導電場に頼らず、外部電流駆動を最小限にして定常運転する「高度シナリオ」の物理基盤として、逆磁気シアトカマク発電所の設計研究が行われてきた。ITER の定常運転シナリオも、中心部に逆シア領域をもつ非単調 q 分布を特徴としている。

ただし、このシナリオの成立には複数の条件が重なる。第一に、ITB と高閉じ込めをエネルギー閉じ込め時間の数倍から十数倍にわたって維持できること。JT-60U では ELMy H モードエッジの逆シア放電で βN ≈ 2、H89 ≈ 3.5 をエネルギー閉じ込め時間の約 6 倍にあたる 2.7 秒間維持し、さらに 5.5 秒間の ITB 維持と高閉じ込めが実証されている。第二に、β 限界とディスラプション回避である。低 q_min 領域での β 限界は L モードエッジでは性能を制限したが、H モードエッジで圧力分布を広げることで改善される。第三に、上述の RSAE など高速イオン不安定性がアルファ粒子加熱と自発電流の維持を損なわないことである。燃焼プラズマそのものはどの実験装置でも到達できないため、この点の予測は大域的非線形シミュレーションに大きく依存しており、逆シア配位と単調 q 分布配位の両方を同じ条件下で比較する計算が進められている。

このように逆磁気シアは、単なる磁場配位の変種ではなく、電流分布制御・輸送障壁・高速イオン物理・定常運転という炉の成立条件が一つの q 分布に結びついた、現代トカマク研究の中心的な物理体系である。