テアリングモード

テアリングモード（tearing mode）とは、磁力線の再結合（マグネティック・リコネクション）によって、トカマクなど環状磁気閉込めプラズマ中の有理面に螺旋状の「磁気アイランド（磁島）」が生成・成長する磁気流体力学（MHD）不安定性である。名前は、平衡時には一様だった磁気面が「引き裂かれて」新しいトポロジーを作ることに由来する。磁島ができると熱と粒子が磁力線に沿って島の内外を行き来するようになり、閉込めが局所的に失われる。さらに島が成長してプラズマ回転と同期して停止すると大破壊（ディスラプション）に至ることもあり、テアリングモードの物理の理解と制御は、ITER 以降の炉規模装置にとって死活的な課題となっている。

磁気アイランドとテアリング不安定性

トカマクの磁場はトロイダル（環方向）成分とポロイダル（極方向）成分の組み合わせでできており、磁力線は安全因子 q で特徴づけられる螺旋を描く。q が有理数 m/n となる磁気面では、摂動磁場が平衡磁場と共鳴でき、そこで磁気面の再結合が起こりやすい。テアリングモードは、ポロイダル・トロイダル方向にそれぞれ m 個・n 個の周期をもつ螺旋構造で現れ、代表的なものとして m/n = 2/1 や 3/2 モードが知られる。

再結合の駆動力は、電流密度分布の中に蓄えられた自由エネルギーである。有理面を挟んで平行電流分布が「折り畳まれた」形状（電流勾配が不連続に近い形状）を持つとき、摂動による磁気エネルギーを下げる方向に再結合が進む。この安定性の尺度がテアリング安定性パラメータ Δ′ で、Δ′ > 0 なら線形に不安定となる。ただし実際のトカマクでは、抵抗のために磁力線が凍結される理想 MHD 的性質が有理面のごく薄い層で破れるという構造をとり、成長は抵抗拡散時間スケールの遅いものになる。この「理想領域＋抵抗層」の漸近接合（層構造理論）がテアリングモード線形理論の骨格である。

磁島が形成されると、磁力線に沿った熱伝導が島の幅にわたって急激に強まり、島の内部で電子温度・圧力分布が平坦化される。これがテアリングモードのあらゆる帰結――閉込め劣化、次に述べる新古典的駆動、そして検出の物理――の出発点になる。実際のトカマク平衡はシャフラノフ・シフトや断面の楕円性・三角性をもつため、単一のモード数では記述できず、複数のポロイダル高調波が結合した島列となる。また島は有理面に対して半径方向に非対称に広がる。次の図は、そのような非対称磁島の周りの規格化電子温度分布の等高線を示したもので、太い実線が磁気分離面、点線が有理面、黒点が島の O 点（磁場再結合の中心）である。分離面の内側で温度が平坦化され、外側では平衡温度勾配が保たれている様子が分かる。