超音速分子ビーム入射

超音速分子ビーム入射（supersonic molecular beam injection, SMBI）は、トカマクプラズマへの粒子供給（燃料入射）法の一つであり、高圧の水素（または不純物）ガスをラヴァルノズルから真空容器内へ断熱膨張させて超音速の分子ビームとし、短時間でプラズマへ注入する手法である。ガスパフよりも高い供給効率と速い時間応答を持ち、ペレット入射よりも装置が単純であることから、中国のHL-1/HL-1Mで初めて提案・実証されて以来、HL-2A、EAST、J-TEXT、JT-60U、KSTAR、Adityaなど多くのトカマクで運用されてきた。燃料供給のほか、エッジ局所モード（ELM）の緩和、ダイバータ放射冷却、ランナウェイ電子の抑制など、粒子を短パルスでプラズマ端に投入することを利用した幅広い応用を持つ。

原理と動作

SMBIの本体は、電磁ソレノイド弁と、その下流に置かれた絞り部（収束部）と開口部（発散部）からなるラヴァルノズルである。弁を数ミリ秒から数十ミリ秒開くと、高圧の貯気ガスがノズルを通って真空容器へ噴出し、その過程で等エントロピー断熱膨張によって加速・冷却され、マッハ数が1を超える超音速の分子ビームとなる。ノズル発散部での過膨張によりガスは急激に低温・高密度になり、過飽和状態に達する。このときガス分子の一部が衝突を繰り返して凝集し、クラスター（微細な分子集合体）が形成される。クラスターは単独の分子よりもイオン化に多くの時間とエネルギーを要するため、ビーム中のクラスター形成は粒子の到達深度を深める方向に働く。実際、HL-1Mでの高圧入射実験では、Hα発光強度の等高線図から求めた粒子の侵入速度が約1200 m/sに達し、入射粒子がプラズマ中心部まで侵入することが示された。

図は、ソレノイド弁とラヴァルノズル（収束部・発散部）からなるSMBI入射部の構成を示した模式図であり、ノズル開口が0.5 mm程度、発散部を含むノズル長が24.5 mm程度であること、ビームがEAST真空容器側へ向けて絞り込まれていることが読み取れる。このように数mm程度の細いオリフィスから超音速流を形成することで、ガスパフでは得られない指向性の高いビームが実現される。

装置構成：弁、ラヴァルノズルとガス供給

SMBIシステムは、高圧ガスの貯気部（ガスバッファ）、開閉を制御するソレノイド弁、およびラヴァルノズルという三つの要素が基本である。動作ガス圧は初期の0.5 MPa級から1.0 MPaを超える高圧化が進められ、高圧・マルチパルス入射ではペレット連続入射に類似した階段状の密度上昇が得られている。弁の応答が速いため、入射周波数は数百Hz（EASTでは最大500 Hz）に達し、プラズマ制御のフィードバック要素としても使える時間スケールを持つ。

装置上の重要な改良が、ガスをノズル・弁近傍で液体窒素により予冷却する低温SMBI（LT-SMBI）である。ガスを低温にしてから断熱膨張させると、クラスター形成が促進され、分子束流が増大する。HL-2Aでのレイリー散乱測定では、室温動作（RT-SMBI）と比べて約6 cm深い侵入が得られ、J-TEXTでは低密度プラズマ条件下で燃料供給効率が約30%向上することが示された。低温化は液体窒素デュワーとコールドトラップを弁・ノズル周りに追加する形で実装され、HL-2A、J-TEXT、KSTAR、SST-1、EASTなど複数の装置で同様の構成により採用されている。

図は、液体窒素デュワー、ガスバッファ、ソレノイド弁、ノズルを備えた低温SMBIシステムの断面図であり、液体窒素の出入口とガス導入路がどのように弁・ノズル部へ接続されるかを示している。冷却したガスを短い経路でそのままノズルへ送ることで、膨張前のガス温度を下げ、クラスターを含むビームを安定に形成する。

供給効率と侵入物理

SMBIの供給効率（入射粒子のうちプラズマに実際に取り込まれる割合）は、ガスパフより高いことが複数の装置で確認されているが、その物理的な制約も明確である。最大の制限は、入射粒子がプラズマ端の高温・高密度領域で急速にイオン化され、深部まで到達できないことである。プラズマ密度と温度が高いほどイオン化は速くなり、供給効率は低下する。したがって大型化するほど中心部への供給は難しくなり、侵入深度を決める因子——ガス圧、パルス幅、ガス温度（クラスター形成）、プラズマ条件——の理解が装置設計の中心課題となる。

侵入の描像としては、ビーム先端がプラズマに入ると周囲の電子による遮蔽・冷却効果を受けながら中性粒子がイオン化されていく。クラスターを含むビームでは、イオン化までに分子単独の場合より多くのエネルギーと時間が必要となるため、実効的な侵入深度が増す。HL-1Mでのモデル計算では、クラスターの生成と解離、断熱膨張、遮蔽・冷却効果を取り込んだ数値モデルが実験観測とよく一致することが示され、大型トカマクへのSMBI供給の可能性が検討された。また、乱流プラズマ中での入射条件と供給効率の関係や、入射による冷たいパルス（密度・温度擾乱）の輸送ダイナミクスは二次元輸送シミュレーションでも解析されており、ガスパフとの比較シミュレーションでもSMBIの供給性能の優位性が調べられている。JT-60Uでは、弱い磁気シアで維持される内部輸送障壁がSMBIによる冷たいパルス入射の下でどう応答するかといった、輸送物理の研究手段としての利用も行われている。

ガスパフおよびペレット入射との比較

トカマクの粒子供給法は、ガスパフ、SMBI、ペレット入射の三つに大別される。ガスパフは装置が最も単純だが、貯気圧が弁の制約により通常0.6 MPa（6 bar）以下に限られ、粒子はプラズマ端のごく浅い領域でしか供給されず、時間応答も百ミリ秒程度と遅い。SMBIは超音速ビームの指向性と（低温化による）クラスター形成によってガスパフより高い供給効率を持ち、パルス幅が短く時間応答も速い。ペレット入射は固体の燃料を高速で打ち込むため最深部まで供給できるが、装置が複雑で繰り返し運用の制約が大きい。SMBIはこの中間に位置し、「ガスパフより効率的、ペレットより単純」という点が採用の主な理由である。HL-1Mでの高圧マルチパルス入射がペレット連続入射と類似の階段状密度上昇を示したことは、定常状態運用に向けた供給手段としての可能性を示すものである。一方で、ペレットほどの深部供給はできず、高密度・高温プラズマでの効率低下が将来炉への適用における主な課題である。

応用：ELM緩和、ダイバータ放射冷却、ランナウェイ抑制

SMBIは燃料供給にとどまらず、短パルスで粒子（不純物ガスを含む）をプラズマ端へ投入できることを利用した制御手段としても使われている。

第一にELM緩和である。Hモード運転ではプラズマ端のペデスタルに蓄積したエネルギーがELMとして周期的に放出され、第一壁・ダイバータに大きな熱負荷を与える。HL-2Aでは、SMBIをHモードペデスタルへ入射することでELMを緩和できることが示され、水素に不純物混合ガスを種として加えた入射によるELM制御も研究されている。

第二にダイバータの放射冷却である。ダイバータ側から不純物を種として入射し、熱負荷の相当分を放射として放出させる手法は「パフ・アンド・ポンプ」放射ダイバータとして知られるが、ガスパフでは応答が遅く入射レートも制限される。HL-2Aでは中平面からの入射、EASTではダイバータ側からの入射において、SMBIがガスパフより速い時間応答と広い入射レート範囲を持つことが示され、ダイバータ熱負荷制御の手段として新たなSMBIシステムが整備されている。

第三にランナウェイ電子の抑制である。ディスラプション時には高エネルギーのランナウェイ電子が生成され、第一壁に深刻な損傷を与えうる。J-TEXTでは、プラズマ電流フラットトップ相に水素をSMBIで入射すると磁気擾乱が誘起されてランナウェイ電子の損失が急速に増大することが示され、その実効的な半径方向拡散係数は約16 m²/sと見積もられた。また、大量ガス入射（アルゴン）によって生成させたディスラプション時のランナウェイ電流が、ディスラプション前の水素SMBI入射によって効率よく抑制されることが確認された。一方、HL-2Aでは電子サイクロトロン加熱下でSMBIを併用した際に逆にランナウェイ電子の生成が増強される場合があることも報告されており、入射のタイミングとプラズマ条件の選択が重要である。このほか、SMBIをマイクロ波反射計と組み合わせた粒子輸送の能動的な研究手段としての利用や、非軸対称磁気擾動下での入射応答の研究など、プラズマ診断・輸送研究のツールとしての役割も確立している。