RTP

RTP(Rijnhuizen Tokamak Project、ライフハイゼン・トカマク計画)は、オランダのファン・デル・ワールス研究所(後のライフハイゼン研究所)で運転された中型トカマク実験装置である。主要半径 R₀ = 0.72 m、マイナー半径 a = 0.16 m、環場磁束密度 B_T ≈ 2.14 T というコンパクトな規模を持ち、1990年代を中心に電子熱輸送、輸送障壁、磁気島の構造、電子サイクロトロン加熱・電流駆動といった、トカマク物理の基礎的問題を集中的に研究した。装置は小型でありながら高精度の診断系を備え、特に電子温度・電子密度の空間分解測定を軸とした輸送解析で国際的に重要な役割を果たした。

RTPトカマク:装置と研究目的

RTPは、既存のトカマク実験装置を改造して建設された中型装置であり、その研究目的は大型炉心プラズマで観測される輸送現象の物理を、制御しやすく診断しやすい条件のもとで解明することにあった。小型トカマクではプラズマの衝突性が高く、乱流による異常輸送が比較的抑えられた状況が実現しやすい。このため、電子熱輸送の「最低限の水準」――古典的・新古典的モデルが予言する輸送の下限――に近い状態を作り出すことができ、輸送障壁が形成されたり消滅したりする過程を、一つ一つの放電で系統的に追うのに適していた。

実際、RTPでのオーミック加熱プラズマのエネルギー閉じ込め時間はゴールドストン(Goldston)のオーミックスケーリング則と整合し、また電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)を付加した低密度・低電流プラズマでは、ECRH入力がオーミック入力と同程度のとき閉じ込め時間がオーミック時の約2倍に改善することが観測された。このような「閉じ込めが良くなる」条件の存在とその機構の解明は、RTPの輸送研究の中心的テーマの一つであった。得られた実験結果はルブー–ラリア–ワトキンス(Rebut–Lallia–Watkins)型の輸送モデルなどで解析され、後には古い磁力線の履歴を考慮する「パレオクラシカル」輸送モデルの検証にも用いられた。このモデルは、乱流輸送が小さい(ほぼ)オーミックプラズマや内部輸送障壁内では電子熱輸送の下限を与えるとされ、RTPのオーミック放電の電子温度分布や、EC加熱定常放電で観測された電子熱輸送障壁の位置と性質をよく再現した。RTPで開発された輸送解析の手法とモデルは、JETなど大型装置のデータへの適用にも拡張された。

診断と測定手法

RTPの研究を特徴づけたのは、電子温度・電子密度の半径分布を高分解能で同時測定する診断系の整備である。中心軸上の電子温度分布は20チャネルのヘテロダイン電子サイクロトロン放射(ECE)計で、電子密度分布は19チャネルの遠赤外(FIR)干渉計で測定され、これらに磁気ピックアップコイルによる揺動磁場測定を組み合わせることで、温度・密度・磁場の揺動を同じMHDモードに対して同時に捉えることができた。さらに接線方向トムソン散乱による電流密度分布の直接測定や、多チャネル干渉計・偏光計(ポラリメーター)系によるファラデー回転測定も導入され、電流プロファイルと内部磁場構造の推定が可能になった。偏光計系では三レーザー方式のシステムが稼働し、電流分布測定への応用が進められた。

診断の高度化は、測定結果そのものに新たな物理的問題を提起することもあった。トムソン散乱スペクトルがマクスウェル分布から有意に外れる事例が観測され、これを診断的手法として活用できないかという議論が行われた。これは、非熱平衡的な電子分布の存在をスペクトル形状から読み取る試みであり、その解釈をめぐっては測定系の系統誤差を含めた批判的検討も重ねられた。また、高分解能可視分光器によるHα輝線(6562.8 Å)のトーラス方向視線測定からは、水素中性原子、H⁺、H₂⁺分子との衝突過程に由来する三つの速度群の存在が線スペクトルの構造から推定され、プラズマ周縁の中性水素の運動についての知見が得られた。

電子熱輸送:フィラメント、熱波、障壁

RTPの最も重要な貢献は、電子熱輸送が単純な拡散過程では記述できないことを示した一連の実験にある。ECRHの出力を変調してプラズマに熱波(heat wave)を打ち込み、その伝播をECE計で追う手法により、電子熱拡散係数の半径分布とその依存性が測定された。この手法は、サブトロニックな熱波の伝播から局所的な拡散係数を抽出するもので、オーミック加熱とEC加熱を併用した放電で、サトゥースクラッシュに伴う熱波とEC変調熱波の同時伝播も解析された。その結果、熱輸送が半径方向に一様でなく、空間的に不均質であること、すなわち同じ放電内でも輸送の良い領域と悪い領域が共存することが示された。

さらに注目すべきは、電子温度分布に観測されるフィラメント(細糸)構造である。ECRHを局所的に注入したプラズマでは、電子温度の半径分布が滑らかな一つのプロファイルではなく、細い高温・低温の縞状構造を示すことが見出された。これは熱輸送が空間的に細分化された「フィラメント化」した状態であり、電子熱輸送障壁が複数形成された構造と解釈される。輸送障壁とは、熱拡散係数が局所的に桁違いに小さくなり、温度勾配が急峻になる領域である。RTPでは、ECRHの加熱半径を変える走査実験により、障壁の形成・消滅が加熱位置や入力に依存して双安定に切り替わる「分岐(bifurcation)」的な振る舞いが示され、障壁が閾値現象であることが明確になった。この障壁の物理については、パレオクラシカル輸送モデルが障壁内の輸送水準をよく予言したほか、実験データに基づく障壁形成モデルの検証が行われ、RTPのデータは障壁理論の標準的な試金石となった。

また、プラズマ周縁に摂動を加えた際の応答が、局所拡散モデルの予想を超えて非局所的であることを示す実験も行われた。これは、電子熱輸送が局所の温度勾配だけでなく、より広い領域の状態に依存することを示唆するもので、輸送の非局所性論争における重要なデータとなった。

MHD構造と磁気島

RTPでは、テアリングモードに伴う磁気島の内部構造が、温度・密度・磁場の同時高分解能測定によって直接調べられた。破壊直前に成長する m/n = 2/1 の磁気島について、ECE計による電子温度、FIR干渉計による電子密度、磁気コイルによる極方向磁場の揺動を組み合わせ、島のO点(島中心)とX点(分離線の交点)でのプラズマ状態が比較された。その結果、O点ではX点に比べて電子温度も電子密度も有意に低いことが分かった一方、島の内部で温度・密度分布が平坦化して局所極小を持つという、磁気島の古典的描像が予想する特徴は確認されなかった。

この一見矛盾しない結果は、島内部の磁力線の接続長が非常に長いことと、プラズマ外側領域では衝突性が高く磁力線に沿った平均自由行程が短いことの組み合わせで理解された。すなわち、島の内部では磁力線に沿った熱伝導が十分に働かず、島を横切る方向の温度・密度勾配が保たれる。この観察は、磁気島が必ずしも完全な熱的平坦化をもたらすわけではなく、島内輸送とX点・O点間の半径方向熱流の分布が衝突性に強く依存することを示した点で、磁気島物理に対する実験的制約として重要である。また、m = 2 の磁気島を挟む電子温度・電子密度勾配の測定は、破壊前のプラズマ状態の理解にも寄与した。

電子サイクロトロン加熱と電流駆動

RTPでは、ジャイロトロンを用いた電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)と電流駆動(ECCD)が、加熱研究と輸送制御の両面で活用された。ECRHは共鳴面の位置を環場磁場や注入角度で選べるため、加熱半径を系統的に変化させる実験が可能であり、前節の輸送障壁・フィラメント研究の基盤となった。加熱されたプラズマでは高い電子温度と大きな温度勾配が得られ、これが輸送解析の対象となった。

ECCD実験では、マイクロ波の進行方向を共鳴電子の運動方向と同方向(コ駆動)または逆方向(カウンター駆動)に選ぶことで、非誘導電流を局所的に生成できる。RTPでは、誘導電流の推定、MHD活動の有無の解析、輸送障壁の有無という三つの独立な方法で非誘導電流が評価され、コ駆動で最大約20 kAの駆動電流が確認された。カウンター注入では、正味の駆動電流は小さいか、場合によっては正味のコ方向電流となる一方、局所的には有意なカウンター方向電流が駆動されていることが示された。これは、駆動電流の全体量と局所分布が必ずしも対応しないことを示す例であり、電流プロファイル制御の解釈において局所測定の重要性を示した。ECCD実験の解析は、電流分布の変化がMHD安定性や輸送障壁形成と密接に結びついていることを裏付け、RTPにおける加熱・電流駆動研究を輸送・MHD研究と一体的なものにした。