T-IIU

JIPP T-IIU は、名古屋大学プラズマ研究所が運用した中型トカマク装置であり、主要半径 R = 0.91 m、プラズマ小半径 a = 0.23 m の円形断面を持ち、プラズマ断面にシェーピング(shaping、非円形化)を施さないリミッタ配置を基本とした。装置名の「T-II」は同研究所の初期トカマク JIPP T-II の後継機であることを示す。この装置は、イオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱と中性粒子入射(NBI)加熱を高電力で組み合わせられる小型装置として、1980 年代後半から 1990 年代にかけて、閉じ込め改善(H モード)の実現、高周波加熱物理、そして重イオンビームプローブを中心とする揺動・電位計測の分野で重要な役割を果たした。

装置と運転領域

JIPP T-IIU は、体積平均で約 2 MW·m⁻³ という当時としては極めて高い入力電力密度を実現できる点を特徴とした。プラズマ電流は 280 kA 程度、線平均電子密度は 7×10¹³ cm⁻³ 程度までの運転が行われ、ICRF と NBI の合計 2 MW 級の加熱電力が投入された。小型装置で高電力密度を得ることには、加熱電力に対する閉じ込め特性の変化を明確に読み取れるという利点がある。実際、この装置ではオーミック放電から高電力加熱への遷移に伴いエネルギー閉じ込め時間が 2〜3 分の 1 に低下する、いわゆる L モード化の挙動が系統的に調べられた。

高電力加熱に伴う不純物侵入は小型装置ではとくに深刻であり、JIPP T-IIU ではこれに対する工学的対策が先行して整備された。リミッタへの低 Z 材料の採用、真空容器内壁へのその場炭素コーティング(炭素化)、RF パルスに同期したガスパフの制御によって金属不純物(とくに鉄)の侵入が大きく抑えられ、全放射損失を入力電力の 30〜40 % 未満まで低減できた。この「低放射損失プラズマ」の実現が、以降の加熱実験や閉じ込め研究の基盤となった。

ICRF 加熱と NBI 加熱

JIPP T-IIU の加熱研究の中心は ICRF 加熱であった。合計 2 MW の高周波電力を投入し、電子温度約 2.5 keV、イオン温度約 2.0 keV が達成された。プラズマに吸収された ICRF 電力の割合は、RF パルス遮断直後のプラズマ蓄積エネルギーの減衰から実験的に決定され、体積平均電力密度を 1 から 2 MW·m⁻³ へ上げると約 90 % から 70 % へ低下することが示された。吸収電力を実測値で評価し直すと、エネルギー閉じ込め時間の密度依存性は τE ∝ ne^0.6 となり、Kaye-Goldston スケーリングが予測する ne^0.26 よりも強い密度依存性が明らかになった。これは、吸収電力を仮定ではなく実測に基づいて閉じ込めスケーリングを検証した例として意義が大きい。

また、NBI 加熱プラズマで知られていた「プロファイル一様性」(温度分布が加熱電力の堆積位置によらずほぼ相似形を保つ性質)が ICRF 加熱プラズマでも成立することが確認された。k∥ スペクトルを調整して RF 電力の堆積位置を制御しても電子温度分布は変化せず、分布はむしろ安全係数 q(a) のみに応答する。この結果は、堆積プロファイルの制御が必ずしも温度プロファイルの制御につながらないことを示すものとして、加熱物理における重要な知見となった。

高調波加熱の拡張も行われた。水素イオンサイクロトロン周波数の第 3〜第 4 高調波間のイオンベルンスト波(IBW)分岐を利用する加熱実験が 130 MHz の送信機を用いて実施され、約 400 kW の RF 電力でイオン・電子の中心部加熱が確認された。IBW 加熱では密度分布の中心集中(ピーキング)が特徴的に現れ、NBI 加熱プラズマへの IBW 入射でも同様の傾向が見られ、輸送解析は中心部の粒子・エネルギー閉じ込めの改善を示唆した。また、従来の高速磁音波を用いる ICRF 加熱に比べて、イオンエネルギー分布関数の高エネルギー尾部の成長が小さく、準線形 RF 拡散と Fokker-Planck モデルによる計算とよく一致した。これは高調波加熱がイオン尾部加熱を抑えつつ本体加熱を行いうることを示した。このほか、ICRF による電流駆動実験や、下部混成波によるプラズマ電流立ち上げ実験もこの装置で行われた。

閉じ込め改善とリミッタ H モード

JIPP T-IIU で特筆される成果は、断面シェーピングを一切行わないリミッタ配置のまま、ICRF 加熱のみで H モード(閉じ込め改善状態)が得られたことである。H モードは通常、ダイバータ配置の NBI 加熱プラズマで観測されるものであり、円形断面・リミッタ・ICRF 加熱という条件での実現は当時の常識に反する観測であった。ICRF 単独加熱での閾値電力は、ICRF と NBI の併用加熱の場合と同程度かそれ以下であった。

閾値電力のパラメータ依存性が系統的に調べられ、プラズマ電流の増加とともに上昇すること、密度にはほとんど依存しないこと、トロイダル磁場強度に最適値が存在することが明らかになった。トロイダル磁場依存性は、レイトレーシング計算による ICRF 電力の堆積プロファイルの解析によって説明された。すなわち、磁場強度が電力堆積位置を変化させ、境界近傍への堆積が H モード遷移の成立条件を左右するという描像である。さらに、境界磁気シアーがリミッタ H モード遷移に果たす役割も調べられ、遷移条件に対する磁場配位の寄与が議論された。

H モード閾値に近い電力で運転されながら、時間発展のプロファイル挙動が H モードとは異なる閉じ込め改善放電の一群も観測された。これらは H モードとは別の改善機構を示唆するものであり、閉じ込め改善が単一の遷移現象ではないことを示す例となった。氷ペレット入射による急速冷却現象や、ペレット入射に伴う大きな電位変化の観測も、この装置の閉じ込め・輸送研究の一部をなした。

計測と揺動物理

JIPP T-IIU は、プラズマ内部の局所量を直接計測する診断技術の開発拠点でもあった。とくに重イオンビームプローブ(HIBP)はこの装置の看板診断であり、一次元掃引によりサンプルボリュームをプラズマ中心から境界まで移動させ、空間電位と密度揺動の局所計測を可能にした。HIBP の較正にはガスパフを用いる手法が開発された。この装置の HIBP 計測からは、密度乱流の相関時間が境界に向かって大きく増加し、支配周波数が低下する遷移が、低密度ガスパフ放電でも NBI 加熱プラズマでも r/a ≈ 0.6 付近に存在することが観測された。RF 加熱プラズマではこの遷移位置が外側へ移動する。これは乱流特性がプラズマ内部で領域的に変化することを示すものであり、境界乱流と中心部乱流の性質の違いを定量的に捉えた知見である。

HIBP による電位計測は、磁気リコネクション現象であるセオリークラッシュに伴う急速な電位変化や、ペレット入射が誘起する大きな電位変化の観測につながった。また、測地音響モード周波数帯のゾーナルフローの観測もこの装置で行われ、乱流と流れの相互作用という現代的な主題の先駆的計測となった。遠赤外レーザー散乱による密度揺動の非対称パワースペクトルの観測や、準コヒーレントモードの観測も報告されている。

磁場計測の面では、高時間分解能のゼーマン偏光計によるポロイダル磁場計測が整備され、電流ランプアップ時のトロイダル電流の浸透過程の研究に用いられた。また、中性粒子ビーム発光の運動スターク効果スペクトルの計測により磁場方向の局所計測が行われ、最閉磁気面内の磁場揺動を可動磁気プローブアレイで計測する手法も開発された。エッジプラズマのヘリウム線計測や、NBI・ICRF 加熱プラズマでの有効イオン電荷 Z_eff の測定と低 Z 不純物輸送の研究も行われ、加熱に伴う不純物挙動の理解が進められた。

このように JIPP T-IIU は、小型装置でありながら高電力密度加熱、リミッタ H モードの発見、HIBP による内部電位・揺動計測という三つの柱で、トカマク閉じ込め研究に残された知見の範囲が広い装置であった。