TEXTOR

TEXTORは、ドイツのユーリッヒ研究センターに設置された中型トカマク実験装置である。主要半径1.75 m、プラズマ半径45–50 cm、トロイダル磁場2 T、プラズマ電流最大500 kAという規模を持ち、1980年代から2010年代前半まで運転された。装置名は「トーラス・エクスペリメント・フォー・オリエンテッド・リサーチ(Torus EXperiment for Oriented Research)」に由来し、後の改修後はTEXTOR-94とも呼ばれた。この装置は、単に閉じ込め性能を競う場というより、プラズマと壁の相互作用、放射冷却を利用した運転領域、そして磁気擾乱によるプラズマ縁の制御といった、炉設計に直結する境界領域物理の研究拠点として独自の役割を果たした。

装置と歴史

TEXTORは1983年頃から実験を開始した。装置の姿を最もよく示すのが、トーラスを真上から見た模式図である。

図はTEXTORの上面図で、内側にプラズマ領域を囲むライナーと、周囲に配置されたダイバータ用コイル群、高速ガス噴射弁、赤外カメラの視野(赤い領域)、そして走り出し電子を捕らえるためのシンチレータプローブの挿入位置が描かれている。この図が示すように、TEXTORは周辺部に多様な操作手段と診断装置を集中させた装置であり、それが研究方針の特徴を反映している。

運転初期には、水素ガスを用い、壁温度を摂氏300度程度まで上げた状態で、中心電子温度1.2 keV、平均密度4×10¹³ cm⁻³、放電持続時間2.7秒程度のオーミック加熱プラズマが実現された。1990年代の改修でTEXTOR-94となり、中性粒子ビーム入射と高周波加熱の導入、そして縁部を制御するための専用コイル系の追加が行われ、研究範囲が大きく広がった。装置は2013年に運転を終えたが、その成果は次世代装置の設計思想に残されている。

プラズマ・壁相互作用と壁コンディショニング

TEXTORの最大の貢献の一つは、プラズマの縁で何が起きているかを定量的に理解したことにある。プラズマ中の水素イオンが壁に当たって中性粒子として再放出される「リサイクリング」、炭素や酸素などの不純物の壁からの放出、そしてそれらがプラズマの密度上限や閉じ込めをどう左右するかが、分光測定や赤外サーモグラフィによる熱流測定と組み合わせて系統的に研究された。

この知識は直ちに運転技術に転用された。代表的なのが、トーラス内面に薄い炭素の被膜を堆積させる壁コーティングである。炭素被膜は酸素を固定して低Z不純物を抑え、プラズマ中の不純物濃度を顕著に下げることから、TEXTORで実証された後、他の装置にも広まった。また、リミッターの代わりに粒子排出能力の高いトロイダル・ポンプ・リミッターを用いる実験も行われ、粒子除去率を高める排気概念が検証された。さらに、不純物(例えば窒素やネオン)を意図的に種まきしてプラズマ縁で放射損失を増やし、熱負荷を広い面積に分散させる「放射冷却運転」もTEXTORで先駆的に開発された。この手法はMARFEと呼ばれる縁の放射不安定性の制御と組み合わせることで、通常の密度上限(グリーンウォルド密度)を超える運転をも可能にした。

加熱と閉じ込め領域

加熱はオーミック加熱に加え、イオンサイクロトロン共鳴加熱(ICRH)と中性粒子ビーム入射(NBI)で行われた。ICRHについては、アンテナがプラズマ負荷の変動に耐えて効率よく電力を吸収させる技術開発が進められ、低周波変調をかけた吸収測定によって電力沈着位置が精密に評価された。NBIによって生じる高速イオンは、集団トムソン散乱や共鳴散乱などの診断で速度分布まで測定され、鋸歯状振動の際に高速イオンがどう輸送されるかといった、炉のアルファ粒子閉じ込めに関わる基礎物理の研究にも使われた。

閉じ込め領域では、「放射改善(RI)モード」がTEXTOR-94の看板成果である。これは不純物種まきによる放射冷却と良好な閉じ込めを両立する運転で、オーミックプラズマの線形閉じ込め領域と同じスケーリングに従うことが示された。つまり、Lモードへの遷移を起こさずにオーミック閉じ込めの延長上で高密度運転ができる、という基本的な運転領域の存在が実証されたのである。炉心の低い電力密度で燃焼プラズマを維持できるという点で、このモードは炉設計上の魅力的な選択肢として注目された。また、乱流輸送の研究も盛んで、RIモードプラズマ中の乱流構造や、熱パルスの半径方向伝播の非対称性、MHDモード存在下での輸送特性が電子サイクロトロン放射(ECE)計測などにより調べられた。

動的エルゴディック・ダイバータと磁気擾乱

TEXTOR後期の中心的研究装置が、動的エルゴディック・ダイバータ(Dynamic Ergodic Divertor, DED)である。これは1996年に提案された概念で、プラズマ縁に共鳴する磁気擾乱を印加して磁力線を「エルゴディック」な(閉じた面から外れたカオス的な)状態にし、熱と粒子を壁の広い領域に導くものである。従来の静的エルゴディック・ダイバータと異なり、DEDは擾乱磁場を回転させることができる。回転する磁場は、プラズマに流れる電流と相互作用してトルクを与えると同時に、壁への熱沈着パターンを空間的・時間的に広げて局所熱負荷を緩和する。

DEDの磁場構造は、磁力線マッピングなどの数値手法を駆使して詳細に研究された。擾乱の強さに応じて、磁力線が自由に動き回るエルゴディック領域と、短距離で壁に達する層流領域が縁に形成され、熱・粒子輸送がこの二重構造によって支配されることが明らかにされた。実験面では、テアリングモード(共鳴磁気島)の物理研究にDEDが用いられ、磁気擾乱がモードの成長や抑制に与える影響が調べられた。また、回転する共鳴磁気擾乱がプラズマの半径方向電場や回転に与える影響も測定され、縁の電場構造を通じた輸送制御という視点が開かれた。この磁気擾乱による縁制御の考え方は、後の大型装置における共鳴磁気擾乱研究の先駆けとなった。

走り出し電子とディスラプション

ディスラプション(閉じ込めの突然の喪失)では、熱衝撃、電磁力に加え、第三の脅威として走り出し電子(ランナウェイ電子)が生じる。電流急減に伴う誘導電場が電子を光速近くまで加速し、数MeVから数十MeVの電子が壁を直撃すれば深刻な損傷となる。TEXTORは中型装置でありながら、この走り出し電子の生成・抑制を系統的に研究する主要な場となった。

ディスラプションの緩和策として、ネオンやアルゴンなどの不純物を大量に注入して放射損失を増やす方法が各国の装置で試みられたが、アルゴン注入は逆に走り出し電子を生じやすいという難点がある。TEXTORの実験はここで重要な目安を与えた。アルゴン注入で開始されたディスラプションでも、注入原子数がプラズマ電子数の約140倍(1.4×10²¹個程度)を超えれば走り出し電子のないディスラプションとなることが示されたのである。また、アルゴンに水素や重水素を混合した注入も走り出し電子を抑えることが確認された。さらに、n=1およびn=2の擾乱磁場を印加すると走り出し電子の雪崩増殖が抑制されることが観測され、DEDが磁気擾乱による緩和手段としても使えることが示された。診断面では、25 MeV以上の電子に感度のある赤外シンクロトロン放射計測と、3.5–22 MeVの電子を直接捕らえるプローブ計測が組み合わされ、緩和手法ごとに走り出し電子の挙動がどう変わるかが識別された。これらの知見は、ITER級装置で数百MeVに達しうる走り出し電子への対処という、現代の炉設計の難問に直接つながるものである。