RFX

RFX（Reversed Field eXperiment、逆磁場ピンチ実験装置）は、イタリア・パドヴァに設置された大型の逆磁場ピンチ（RFP）実験装置であり、プラズマ電流2 MA級の実験を可能にした装置として、また一つの装置で複数の磁気配位を切り替えて運転できる柔軟性の高い研究基盤として知られる。1990年代から運転を開始した原型のRFXは、2004年から2015年まではMHDアクティブ制御システムを備えたRFX-modとして、その後はさらに改修されたRFX-mod2として運転される予定である。RFPという特定の配位の研究に限定されず、トカマク配位やその中間的な「超低q」配位までを同一装置で実現できる点が最大の特徴であり、MHD安定性制御、輸送、エッジ物理、密度限界といった、ITER・DEMOに共通する課題の研究に貢献してきた。

図はRFX-modの実験ホールの様子を示す。環状の装置本体が中央に置かれ、主要なパラメータとして主要半径2 m・マイナー半径0.5 m、プラズマ電流0.1〜2 MA、電子温度0.2〜1.2 keV、電子密度1〜9×10^19 m^-3 が併記されている。

装置とその歴史

RFXは1992年から1999年まで原型のまま運転された。当時の装置は真空容器と銅製の安定化シェルを備えていたが、プラズマを閉じ込める磁気面を能動的に制御する手段は限られていた。2004年に運転を開始したRFX-modでは、プラズマを取り囲む多数の磁気センサとアクティブフィードバックコイルを備え、MHDモードを実時間で制御できるようになった。これにより、RFP配位での性能限界を押し上げるとともに、意図的に三次元磁場擾乱を印加してプラズマ応答を調べる実験が可能になった。

RFX-modの運転経験から明らかになった構造上の制約は、プラズマと銅シェルの間に高抵抗のインコネル製真空容器が挟まれる「二重壁」構造である。この容器は磁気的にシールドとして働き、高速な磁場擾乱の浸透を減衰させ、フィードバック制御ループに位相遅れをもたらす。その結果、抵抗壁モード（RWM）の抑制やティアリングモード（TM）の制御能力が本質的に制限され、ティアリングモードが壁に固定（ロッキング）される電流しきい値が低く抑えられた。モードのロッキングは局所的な熱負荷の増大とプラズマ・壁相互作用を招き、高電流運転の足かせとなった。

この問題を解消するため、真空容器を撤去して銅シェルを第一真空境界とする「薄シェル」構成への再構成が設計され、これがRFX-mod2である。プラズマとシェルの距離は、シェル・プラズマ半径比でb/a = 1.11から1.04へと接近され、受動的な安定化が強化されるとともに、構造物に起因する誤差磁場が低減される。図はこの改修の断面比較を示す。左半分がRFX-modの構成（真空容器、銅シェル、支持構造の順）であり、右半分がRFX-mod2の構成で、真空容器がなくなり銅製の受動安定化シェル（PSS）が真空締め切り支持構造（VTSS）に直接支えられる様子が描かれている。

磁気配位：RFP、超低q、トカマク

RFX-modの最大の特徴は、電源系統の高い柔軟性により、同一装置で複数の磁気配位を運転できる点にある。

RFP配位では、トロイダル磁場がプラズマ中心部で逆転する。この配位では、ポロイダル磁場とトロイダル磁場が同程度の大きさとなり、安全因子qが1よりはるかに小さい値をとる。トロイダル磁場の維持は外部コイルではなく、プラズマ自身のダイナモ機構に依存する。すなわち、キンク・ティアリング型のMHDモードが生む電場が、誘導駆動された電流の一部をトロイダル方向からポロイダル方向へ変換し、トロイダル磁束を自発的に再生する。この自己組織化こそがRFPの本質であり、同時に複数のm = 0, 1モードの共鳴と非線形相互作用を通じて磁気的カオスをもたらすため、閉じ込め性能を左右する中心的な物理課題でもある。図はRFP放電の典型的な平衡を示す。トロイダル磁場Bφが中心で約1.5 Tから外周に向かって減少し、符号を反転して零を横切る様子、および安全因子qが中心で0.17程度から外周で負に変わる様子が描かれ、m = 1, n = 7, 8などの共鳴面の位置が示されている。

トカマク配位では、q(a)を4から1.2まで広範に掃引した運転が行われた。特にq(a) ≈ 1.2付近の運転は、(2,1)ティアリングモードの緩和や(2,1)抵抗壁モードの安定化をポロイダルおよび半径方向センサの両方で実現した先駆的な試みであり、q(a)制御によるディスラプション回避や誤差磁場制御の研究につながった。さらに、円形およびD字形断面のトカマクプラズマで、分極電極によりエッジ電場を能動的に変化させることで、閉じ込め改善モードへの遷移が初めて得られた。

両者の中間に位置する「超低q」配位では、トカマクとRFPの間の連続的な領域が探索され、密度限界現象のようにすべての配位に共通する物理の研究に利用された。

MHD安定性と能動モード制御

RFX-modのMHD制御システムは、プラズマ表面近くに配置された多数の磁気センサと、それに対応するフィードバックコイルから構成される。このシステムにより、抵抗壁モードの安定化、ティアリングモードの振幅抑制、特定のヘリシティを持つモードの選択的励起などが可能になった。トカマク配位では、(2,1)モードの緩和やディスラプション回避に応用され、RFP配位では、モードスペクトルの形そのものを制御する手段として使われた。

RFPにおける重要な知見は、準単一ヘリシティ（QSH）状態の発見である。通常のRFP放電では多数のティアリングモードが同程度の振幅で存在し、磁気的カオスが広がるが、条件が整うとm = 1スペクトル中の一つの支配的モードが他の二次モードを大きく上回る状態が出現する。この状態では、支配的モードに伴うヘリカルコアを中心に電子輸送障壁が形成され、閉じ込めが改善される。RFX-modでは、外部から磁場擾乱を印加してこのヘリカルピッチを選択する「モードフィードバック制御」が試みられ、三次元非線形MHDシミュレーションは、二次モードの振幅が減少し、支配的モードと二次モードの比が増大することを予測している。

一方、ティアリングモードが壁に固定される「ロックトモード」はRFPの長年の課題である。モードが固定されたトロイダル位置では磁力線の束が壁に接続し、そこで粒子損失が集中する。図はこの様子を示す。高速カメラで撮影した第一壁の画像に、支配的ヘリシティおよび二次モードに対応する局所的なプラズマ変形量を重ねて示したパネルや、支配的・二次モードの変形量に対する粒子流入量の分布が描かれており、二次モードの変形が大きいほど粒子流入が増大する傾向が読み取れる。RFX-mod2ではシェル接近によりこのロッキング電流しきい値が大幅に上昇し、高電流でもモードが自発的に回転する運転が期待されている。

閉じ込め・輸送・エッジ物理

RFPの閉じ込め研究の中心課題は、ダイナモに伴う磁気的カオスが引き起こす輸送をいかに抑制するかである。QSH状態では、支配的モードが作るヘリカルコア内部に電子輸送障壁が形成され、カオスが「癒える」（magnetic chaos healing）ことが観測された。障壁内部の残留輸送の物理機構は、三次元非線形MHD計算やジャイロキネティック計算を用いて解析が進められている。

エッジ領域では、光学診断や超高速反射計を用いた乱流・密度揺らぎの計測が行われ、外部印加三次元磁場がプラズマ流やエッジ乱流に与える影響が調べられた。また、重水素を用いた実験によりRFPにおける同位体効果が研究され、高密度限界については、トロイダル方向の粒子蓄積を伴う対流セルの形成が関与することが示された。再結合イベントの際には、強い静電ポテンシャルが発生し、それがトラップ粒子と通過粒子の境界を大きく変え、対流セルを介してイオン輸送を変調することが、粒子軌道シミュレーションと高速カメラ計測の比較から明らかになりつつある。これらの研究は、閉じ込め性能の限界要因を磁場構造と電場構造の両面から理解する道を開いた。

RFX-mod2改修とNEFERTARI計画

RFX-mod2への改修は、前述の薄シェル化を中核とする。真空容器の撤去により、銅シェルが直接真空境界となり、第一壁の黒鉛タイルは銅シェル側に固定される。壁コンディショニング系は2電極から8電極のグロー放電クリーニングへ再設計され、水素・重水素インベントリの制御の再現性が確保された。磁気センサ系も全面的に更新され、RFP・トカマク・超低qのすべての配位でプラズマ境界の再構成と制御精度が向上する。運転開始は2027年前半が計画されている。

NEFERTARI（New Equipment For the Experimental Research and Technological Advancement for the RFX Infrastructure）は、イタリア国家復興・回復力計画（NRRP）の枠組みで2022年11月に開始され、2026年4月までの期間で実施されるプロジェクトであり、RFX-mod2の技術設備と診断システムの大幅な更新を担う。このプロジェクトの特徴は、RFX-mod2本体に加えて、分散型の研究基盤として複数の専門施設を統合している点である。高粒子フラックス下でのプラズマ対向材料試験を行うBiGyM施設、核融合プラズマ用の核診断開発・試験のための実験室、プラズマ曝露材料計測に関わる光学・レーザー診断の開発・校正施設、そして高電圧電気絶縁の実験評価施設である。これらはRFX-mod2の運転に直結すると同時に、中性粒子ビーム入射装置など大型装置に必要な高電圧機器の信頼性研究にも寄与する。

RFX-mod2の実験計画では、RFP配位では外部磁場擾乱を用いたヘリカル状態の選択的生成、トカマク配位では正・負の三角形状変形を含む形状プラズマの運転が予定されている。数値ツールの標準化（EQDSK形式の平衡ファイル、IMASデータ基盤の導入検討）も進められており、より広い研究コミュニティがRFX-mod2の実験計画に参加しやすい環境づくりが図られている。