TCABR

TCABR(正式名称 Tokamak Chauffage Alfvén Brésilien、ブラジル・アルフヴェン波加熱トカマク)は、ブラジル・サンカルロス(サンパウロ州)のサンパウロ大学サンカルロス物理学研究所に設置された中型トカマク実験装置である。装置名が示すとおり、アルフヴェン波を用いたプラズマ加熱・電流駆動を実験的主眼として建設され、その周辺としてプラズマ回転、エッジバイアスによる閉じ込め改善、エルゴディックリミタによるプラズマ・壁相互作用の制御、乱流輸送、ランナウェイ電子の物理など、境界プラズマと波動・粒子物理の幅広い研究が行われている。ブラジルにおける核融合研究の中核装置であり、国際共同研究のプラットフォームとしても機能している。

装置とパラメータ

TCABRは主要半径 R = 0.61 m、プラズマ小半径 a = 0.18 m の中型トカマクで、プラズマ電流はおおむね 100 kA 級(代表例として 90 kA、安全係数 q ≈ 3.1)、水素放電で中心平均密度 10^19 m^-3 程度のオーミック L モード放電を標準運転とする。この規模は、大型装置では分離しにくい物理過程を明瞭に観測できることを意味する。例えば中性粒子の影響は小型装置ほど強く現れるため、TCABRは内在回転に対する中性粒子摩擦の役割を検証する実験に適している。また真空容器の磁気測定への影響、ベーキング時の熱・構造挙動、高電流電源系、MDSplus を用いたデータ収集と遠隔参加システムなど、装置インフラ自体の開発も研究対象となってきた。摂動用のミルノフ(ピックアップ)コイルやトムソン散乱・電子サイクロトロン放射(ECE)計測など、標準的な診断体系が整備されている。

アルフヴェン波加熱と電流駆動

TCABRの名称の由来であるアルフヴェン波加熱は、イオンサイクロトロン周波数帯の電波をアンテナからプラズマに結合させ、磁力線に沿って伝播するアルフヴェン波の共鳴吸収によってプラズマを加熱する方式である。波動の駆動力、生成されるプラズマ流、電流駆動効果を記述する理論計算と、走査型反射計を用いた側帯波周波数でのアルフヴェン共鳴の観測が行われている。実験ではアンテナ系の1モジュールを用い、ファラデースクリーンの有無で結合特性を比較した結果、加熱の証拠が得られるとともに、スクリーンを取り除くことでアンテナ・プラズマ間の結合が向上することが示された。結合波動出力はオーミック入力の半分程度に達し、高周波パルス中に制御不能な密度上昇を伴わないことが確認されている。これはアルフヴェン波加熱の古典的な懸念であった密度上昇(密度変調による粒子輸送)が実機規模の運転で回避できることを示す結果である。

エッジバイアス、閉じ込めとMHD制御

プラズマエッジに挿入した電極に電圧を印加するバイアス実験は、TCABRの最も生産的な研究系統の一つである。エッジの輸送障壁は径方向電場のシアによって乱流を抑制することで機能するが、外部電極による電場の直接制御はその機構を切り分ける手段を与える。バイアス印加により中心線平均密度が最大2.6倍に増加し、水素Hα輝度は低下して不純物(C III)は一定に保たれるという条件で、プラズマがHモード様の高閉じ込め状態に遷移することが示された。エネルギー閉じ込めは新アルカトール則に対して最大1.95倍(密度最大時には1.5倍)に向上し、スクレイプオフ層の飽和イオン電流は50 μsという短時間で減少する。一方、自発的な分岐(二状態間の跳躍)は観測されず、遷移は電極による強制的な電場制御に起因すると解釈された。バイアス実験間の長距離相関解析や、バーストを含む揺らぎの確率過程モデル化など、エッジ乱流の統計的性質の研究にも発展している。

同じ電極系はMHD活動の制御にも用いられた。バイアスなしでMHD活動の強い放電と弱い放電をそれぞれ用意し、安全係数が2.9から3.5の範囲で(3,1)磁島がエッジ障壁と相互作用する条件に合わせてバイアスを印加すると、m = 2, n = 1 モードの励起と、m = 3, n = 1 モードの部分的な抑制という、再現性のある二つの運転状態が得られた。いずれの場合も径方向電場の強い減少が検出され、バイアスがもたらした輸送障壁と改善閉じ込めが破壊される。つまり同一の操作が、モードの共鳴条件との位相関係次第でMHD活動を増幅も減衰も起こしうることを示す結果であり、エッジ電場・回転とコアのMHD安定性が単一の輸送障壁を介して結合していることを実証している。

エルゴディックリミタと境界プラズマ物理

エルゴディックリミタは、プラズマ周縁にカオス的な磁力線の層(確率的境界層)を意図的に作り、粒子や熱が磁力線に沿って壁へ直接流出する経路を確保することで、局所的なプラズマ・壁相互作用の悪影響を緩和する装置である。TCABRでは真空容器内にエルゴディックリミタが建設・設置され、大アスペクト比トカマク向けにリミタの有限幅を考慮した理論モデルが構築された。真空磁場測定との良好な一致が得られ、ポアンカレ写像による磁力線構造の計算は、リミタ電流がプラズマ電流の約6%という比較的小さい値でカオス的境界層が形成されることを示した。この種の研究は、後のディバータ・ストカスティック境界研究や、大型装置におけるリジッドモード摂動コイルの系譜につながる基礎物理を与える。

境界物理はRF波動との相互作用の面からも研究されている。高周波波を境界プラズマに照射すると、乱流強度が増大し、揺らぎの平均位相速度が反転し、間欠的なバーストによる径方向輸送も増加することが観測された。バーストの確率分布は長い裾を持ち、その減衰パラメータが波動励起とともに増える。これは境界乱流がガウス的でなく間欠的イベントに支配されるという、現在の輸送物理の標準的認識を初期に支持した系統の実験である。

診断・運転と装置改良

TCABRでは装置の信頼性と測定精度を高める工学的・計測学的研究が継続的に行われてきた。トムソン散乱とECEによる電子温度の相互比較、真空容器が磁気測定に与える影響の評価、VME規格モジュールを用いたデータ収集系の効率的構成、MDSplusによる遠隔実験環境の構築などがその例である。近年では、ELM(エッジ局在モード)制御コイルの概念設計と、高磁場側に設置する場合の構造健全性評価が行われている。ELM制御コイルはITERでも計画されているリジッドモード摂動コイルと同種の装置であり、小型トカマクでの設計・評価は将来装置への設計指針を与える意義を持つ。

また、TCABR特有の研究としてランナウェイ放電の物理がある。予備電離なしで主放電を開始し、電流立ち上がり終盤に中性ガスを強く注入すると、プラズマが急冷され、ドリーサー機構が強く抑制された条件下でランナウェイモードに移行する新しい放電状態が見出された。この状態ではHα・ECE放射に強い緩和振動が現れ、線密度やループ電圧、ボロメータ信号に大きなスパイクが重畳する。これはアバランシェ効果によってランナウェイ集団が自己維持される過程の観測であり、大型トカマクでのディスラプション時にランナウェイ電子がもたらす脅威を理解するための小型実験系として価値を持つ。

内在回転の研究もTCABRの柱である。オーミック L モード放電におけるポロイダル回転は新古典理論とよく一致する一方、トロイダル回転は異常であり、その起源を巡ってヘランダー模型とロジャンスキー模型(中性粒子との摩擦に基づく)が高時間分解の回転測定で検証された。小型装置ゆえに中性の影響が強いTCABRでの結果は、ヘランダーの機構の寄与は小さいが、ロジャンスキーの摩擦力が観測された内在トロイダル回転の一部を説明しうることを示した。これは大型装置では分離困難な中性・境界の効果が回転に及ぼす役割を、装置規模そのものを利用して切り分けた例である。