SPARC

SPARCは、米国のMITプラズマ科学融合センターと民間企業Commonwealth Fusion Systems（CFS）が建設を進めている小型・高磁場トカマク実験装置である。重水素と三重水素の核融合反応によって外部加熱入力を上回る融合出力を生み出す、いわゆる損益分岐点（Q>1、目標はQ>2）を磁気閉じ込め核融合装置で初めて達成することを主目的とする。装置は大型化によらず強磁場によって性能を稼ぐ設計思想をとり、主要半径1.85 m、小半径0.57 mというコンパクトなプラズマ容量ながら、高温超伝導磁石によって最大12.2 Tのトロイダル磁場と8.7 MAのプラズマ電流を支える。図は装置のポロイダル断面、運転領域を示すPOPCON図、および極向場コイルで実現可能なプラズマ形状の集合を示す。

装置の概要とミッション

SPARCの設計思想は、磁場強度を上げることで閉じ込め性能と安定性を高め、装置を小型化するというものである。核融合出力は磁場の4乗近くに比例して増大するため、磁場を高くすればプラズマ体積を削減でき、建設期間と資本コストを大幅に圧縮できる。この路線を実現したのが高温超伝導（HTS）磁石技術であり、従来の低温超伝導では到達できない強磁場を、反応装置規模の装置で持続的に発生することを可能にした。SPARCはこの技術を核融合装置として初めて統合的に実証する役割も担う。

装置の規模は、主要半径1.85 m、小半径0.57 m、トロイダル磁場最大12.2 T、プラズマ電流最大8.7 MAである。補助加熱としては最大25 MWの高周波（ICRF）加熱が計画されている。プラズマ密度はグリーンウォルド密度限界が電流に比例して高くなるため、ITERやDEMOの約4倍という高密度運転が可能となり、これが小型化と相まって高Qを実現する鍵となる。フラットトップ時間は10秒未満の短パルス運転で、ダイバータは不活性冷却のタングステン板である。

SPARCで得られる燃焼プラズマは、高衝突頻度・高磁場・高密度という、これまでの実験では未踏の領域であり、そこでのプラズマ挙動の解明自体が重要な科学的ミッションである。得られた知見は、ARC構想と呼ばれる小型のパイロットプラント設計に直接反映される予定であり、2020年代後半の建設完了を見据えた加速的な開発計画が採られている。

磁石と工学設計

SPARCの磁石系は、高温超伝導テープを用いたトロイダル場（TF）コイルを中核とし、これに中央ソレノイド（CS）、極向場（PF）コイル、ダイバータ（DIV）コイル、垂直安定性（VS）コイルが加わる構成である。図はこれらのコイル巻線、接続部、給電線、およびTFコイルのジャンパーと真空容器の継ぎ目の配置を示す。

高磁場運転を実現するTFコイルは、超伝導体がクエンチせず安定に動作するよう、厳しい公差で設計・製造される。コイル巻線のわずかな不整や設置時の位置ずれ・傾きは、本来軸対称であるべき磁場に非軸対称な成分（誤差場）を生む。誤差場はプラズマ中に静止した磁気島を形成し、最悪の場合プラズマの急激な崩壊（ディスラプション）を引き起こす。このためSPARCでは、誤差場の発生源ごとに厳格な許容差を課すとともに、物理設計に基づく誤差場補正コイル（EFC）を備え、固有の非軸対称場を能動的に打ち消す計画である。

プラズマの垂直安定性も重要な設計課題である。核融合性能を最大化するにはプラズマ断面を縦長（高エロンゲーション）にするほど有利で、閉じ込め時間は面積エロンゲーションの約0.7乗に比例して伸びる。しかし縦長化はn=0の抵抗壁モードを不安定化し、垂直変位イベント（VDE）と呼ばれる急激な上下方向の崩壊を招きうる。SPARCでは、真空容器の導体壁による受動安定化に加え、実時間のフィードバック制御系を組み合わせることで、想定される擾乱に対して十分な安定余裕を持つ垂直制御が可能であることが、モデルベースの解析によって確認されている。この解析は、制御用電源の電圧・電流・応答遅延の設計や、ランアウェイ電子（runaway electron）緩和コイルの配置決定にも反映された。

運転シナリオと閉じ込め領域

SPARCの主力運転点は、12.2 T・8.7 MAのH-mode放電である一次基準放電（PRD）として定められている。H-modeはプラズマ縁に輸送障壁が形成され、エッジに圧力のペデスタル（台地）が生じることで中心部の閉じ込めが大幅に向上する領域であり、現在のトカマクで得られたH-modeの閉じ込めスケーリングを外挿すると、目標とするQ>2を十分上回る融合利得が見込まれている。一方、H-modeのペデスタルはエッジ局在モード（ELM）と呼ばれる周期的な爆発的損失を伴い、ダイバータへ大きな熱負荷を与えるため運転上のリスクとなる。

これに対してSPARCでは、複数の閉じ込め領域を状況に応じて使い分けることを想定している。L-modeは輸送障壁を持たない最も基本的な領域で、補助加熱の投入のみで達成でき、閉じ込め改善係数Hが1をわずかに超えればQ>1に達しうることから、初期の損益分岐実証の経路となりうる。I-modeはエッジに圧力のペデスタルを持つが密度のペデスタルを持たない領域で、ELMを伴わずにエネルギー閉じ込めをL-modeから改善できる。粒子と不純物の輸送が活発なため中心部の密度上昇や放射損失の蓄積が抑えられる点も有利であり、H-modeとの間に存在するI-modeのアクセス可能な運転窓は、高磁場装置ほど顕著に広がることが示されている。

これらのシナリオ評価には、乱流輸送のジャイロキネティック計算を代理モデル（サロゲートモデル）で高速化し、時間発展的な統合シミュレーションに組み込む手法が用いられている。モデリング上の仮定（輸送モデル、境界条件、ペデスタルの設定など）が予測性能に与える影響も系統的に調べられており、予測の不確実性を抑えながら運転点を絞り込む枠組みが整備されている。

ダイバータ、排熱とプラズマ対向部材

小型・高磁場・高出力というSPARCの特性は、ダイバータへの排熱を極めて困難にする。スクレイプオフ層（SOL）の熱流束幅λqは、実験スケーリングと理論モデルから0.18〜0.43 mmと予測されており、これは極めて細い熱の帯がダイバータターゲットに集中することを意味する。ダイバータ設計は、分離面を横切る出力が29 MW、λqが0.14 mmまで下がる場合をも想定した保守的な条件で行われており、許容熱流束はパルス長やストライクポイント掃引速度に依存するが、目安として約30 MW/m²が用いられている。

排熱対策としては、ストライクポイントの掃引、ネオン等の不純物シードによる放射損失の増大、X点ターゲット（X-point target）と呼ばれる先進的ダイバータ構成、そして上下両ダイバータに熱を分散させるダブルヌル磁場位形の活用が検討されている。SOLPS-ITERやUEDGEといったプラズマ境界シミュレーションコードによる解析では、純重水素プラズマのダイバータ条件に分岐構造があることが示されている。すなわち低密度側では片側のダイバータが高温となり並行電流が熱の大半を運ぶのに対し、上流密度がある閾値を超えると両ダイバータが対称化され、熱負荷が緩和される。ネオンシードはこの条件の最適化に有効であるが、不純物量の増加は分離面上流密度を下げるため、分岐した高温状態への逆遷移を招く可能性があり、燃料供給の増加でこれを補う必要がある。

プラズマ対向部材（PFC）は主真空容器壁とダイバータの双方でタングステンが採用されている。タングステンはスパッタリングによる不純物侵入を抑えられる一方、ディスラプション時のランアウェイ電子やVDEによる局所的な熱・力学的負荷に対する耐性評価が重要となる。冷たいVDEでプラズマが外側のリミタに接触するシナリオの解析では、ランアウェイ電子の体積加熱がタングステン表面の深い溶融や破壊的な破片放出を引き起こしうることが、熱機械連成シミュレーションによって示されている。SPARCはこれに対し、重水素・ネオンの大量ガス注入とRE緩和コイルの二段構えでランアウェイ電流を1 MA以下まで抑制する計画であるが、それでも局所化すれば損傷は避けられないため、PFCの熱設計と運転上の回避策が併せて検討されている。また、プラズマ対向部材への3次元磁場由来の回転熱負荷や、シャドウマスク効果による局所加熱の評価には、熱解析コードと機械学習を組み合わせた手法が用いられている。

診断とプラズマ制御

SPARCは短パルス・高出力・高密度という条件下で燃焼プラズマを制御する必要があり、診断と制御系の設計は装置設計と並行して進められている。磁気平衡再構成は、プラズマ位置・形状・ダイバータのストライクポイントを決定する基盤であり、フラックスループ、ミルノフコイル、ロゴフスキーコイルといった磁気センサーの配置が、Grad–Shafranov方程式に基づくEFIT平衡再構成の精度を左右する。SPARCでは、合成平衡を用いたセンサー配置の最適化と、渦電流・センサーノイズ・センサー脱落を織り込んだ検証を通じて、密着した第一壁や先進的ダイバータ位形に対する厳しい設計公差を満たすセンサーセットが決定された。図は真空容器と平衡磁場コイルの配置、および合成平衡からEFIT再構成を生成・比較する解析ワークフローを示す。

燃焼プラズマ特有の診断課題として、核融合生成アルファ粒子や高速イオンの直接測定がある。集合トムソン散乱（CTS）は、コア領域のバルクイオン温度、トロイダル回転、アルファ粒子分布関数、燃料比（nT/nD）、さらにはICRF少数加熱に用いられる³He濃度まで測定しうる非侵襲診断であり、既存装置での実績を基にSPARCへの適用可能性が検討されている。中性子スペクトロメトリーやガンマ線分光による融合出力の決定も、高密度・高磁場の燃焼プラズマ条件下で重要な役割を果たす。初期運転キャンペーンで必要となる診断群は、限られた設置空間と過酷な放射線環境に適合するよう、多目的かつ耐放射線性を備えた設計が求められている。

制御系については、垂直安定性制御に加え、粒子とダイバータ条件の制御用アクチュエータ（ガスパフと排気）の設計が時間発展プラズマ境界シミュレーションによって評価されている。さらに、ディスラプションや誤差場ロックモード、ELMといった異常事象（off-normal事象）に対する早期警報システムが整備されており、異常検知から保護動作への移行を自動化することで、短パルスかつ高出力のSPARC運転の安全性を支える。エッジ密度プロファイルを測定する走査型反射計など、制御系へのフィードバックを担う診断も、運転開始に向けて整備が進められている。