TFR

TFR(トカマク・ド・フォントネー・オ・ローズ、Tokamak de Fontenay-aux-Roses)は、フランス原子力庁(CEA)がフォントネー・オ・ローズ研究所に建設した中型トカマク装置である。1973年ごろから運転を開始し、約12年間にわたってフランス核融合研究の主力装置として使われた。装置は後に改造されて TFR 600 と呼ばれるようになり、トーラス方向の磁場とプラズマ電流が増強された。TFR はトカマクの追加加熱、とくにイオンサイクロトロン共鳴周波数(ICRF)加熱の先駆的研究で国際的に知られ、同時に乱流輸送、摂動(ディスラプション)、不純物輸送といった、今日の核融合研究の基礎となる現象の理解に多大な寄与をした。

概要と歴史

TFR は、ソ連で発明されたトカマク方式を西欧で本格的に研究するための装置として計画された。トカマクは、ドーナツ状の真空容器の周りにトロイダル(環状)磁場コイルを巻き、プラズマ中に誘起したトロイダル電流が自らの周りに作るポロイダル磁場と合わせて、磁力線をドーナツ面に巻きつかせて閉じ込める方式である。磁力線が一巡する間にポロイダル方向を何周するかを表す安全因子 q が閉じ込めの安定性を左右し、プラズマ縁での値 q(a) が小さすぎると運転できない。この「電流限界」の物理は後述するように TFR の重要な研究主題の一つであった。

運転は1970年代半ばに始まり、当初のオーム加熱(プラズマ電流のジュール加熱のみ)による実験でイオン温度やエネルギー閉じ込めの基礎データが蓄積された。その後、装置は増強改造を受け、トロイダル磁場とプラズマ電流が引き上げられて TFR 600 となり、中性粒子入射(NBI)や高周波加熱など外部加熱装置が本格的に導入された。1985年ごろに運転を終えるまでの約12年間に、TFR では追加加熱、閉じ込めスケーリング、MHD(磁気流体)不安定性、不純物輸送、ペレット入射など、幅広い研究が行われ、その成果は次世代の大型装置の設計根拠に反映された。

装置の構成と運転

TFR は中型トカマクであり、金属製の真空容器内にリミッター(限界器)でプラズマ断面を規定する、初期トカマクに典型的な構成をとった。リミッター半径を運転中に変えられる可変リミッターが用いられ、プラズマ半径と閉じ込めの関係を実験的に調べることができた。診断としては、電子温度・密度のトムソン散乱測定、マイクロ波反射計による局所密度揺らぎの測定、CO₂ レーザー散乱、ミルノフコイルや軟X線カメラによる磁気揺らぎの観測、可視・紫外線スペクトルによる不純物輸送の追跡など、当時の最先端の手法が整備された。

運転モードとしては、定常的な長パルス放電から、低 q(a) 領域での高電流運転、ランナウェイ電子が支配的な放電まで多岐にわたった。また、単発の固体ペレット(凍結水素の小粒)をプラズマに打ち込むペレット入射実験も行われた。ペレットのアブレーション(昇華)雲の写真から侵入深さが求められ、中性遮蔽モデルとほぼ一致することが示されたほか、雲に見える縞状構造から安全因子プロファイルを実験的に決定できることが示された。ペレット蒸発時には約100マイクロ秒という速い熱輸送が観測され、その挙動は小型・大型ディスラプションに見られる特徴(m=1, n=1 の島の出現、密度揺らぎのバーストなど)と共通しており、ペレット実験が輸送と MHD の橋渡しとなった。

追加加熱:ICRF と中性粒子入射

TFR の最も大きな貢献の一つは ICRF 加熱の開拓である。ICRF 加熱は、イオンのサイクロトロン周波数(イオンが磁場中で回転する周波数)に一致した高周波をアンテナからプラズマに入射し、共鳴吸収させてイオンを加熱する方式で、現在の大型トカマクでも主流の加熱法の一つとなっている。TFR では重水素サイクロトロン周波数の高調波で加熱を行い、初期には不純物放出の問題が顕在化した。すなわち、高周波によってプラズマ縁のシースやアンテナ近傍が乱され、容器壁から酸素や炭素などの不純物が放出されて加熱効率を損なうのである。この問題に対して、導体全体を金属で構成し静電遮蔽板を備えた「オールメタル」アンテナが開発され、これにより約200 kW の高周波をプラズマに結合できるようになった。観測された加熱効果は水素—重水素のハイブリッド共鳴におけるモード変換の理論と概ね一致し、不純物放出など有害な副作用は弱いことが確認された。これは、高周波加熱が実用レベルの技術であることを示した決定的な実験の一つである。

ICRF 加熱の物理も TFR で詳しく調べられた。CO₂ レーザー散乱によって、加熱に伴う速いモードと遅いモードの両方が観測され、イオンサイクロトロン周波数帯の不安定性やパラメトリック不安定性(ポンプ波が別の二つの波に崩壊する非線形過程)の解釈が試みられた。一方、TFR 600 では高エネルギー中性粒子の準垂直入射による NBI 実験も行われ、トーラス内での熱量測定(カロリメトリー)によって入射ビームの伝送損失と「シャインスルー」(プラズマを素通りして壁に当たる割合)が直接評価された。また、電子サイクロトロン共鳴(ECR)加熱の実験も試みられた。これらの追加加熱実験を通じて、加熱入力に対するプラズマの応答、とくに閉じ込めがどう変化するかという問題が中心課題となった。

閉じ込め、輸送とスケーリング則

オーム加熱段階の TFR では、イオン温度を 300 eV から 1 keV にわたって測定し、イオンのエネルギー収支が「プラトー」領域と呼ばれる輸送則で説明されることが示された。トカマクの輸送理論では、衝突頻度と磁場の強さによって、粒子が磁力線に沿って自由に動ける「バナナ」領域、衝突が頻繁な「PS(ピルチ・サイクロトロン)」領域、その中間の「プラトー」領域に分かれる。TFR の測定では、不純物の存在によってイオン間衝突頻度が上がり、バナナ的な伝導損失は見られずプラトー型の損失で説明できた。これは、当時懸念されていた「理論予測より悪い異常輸送」の実態が、少なくともイオンについては不純物による衝突頻度の増大でかなりの部分説明できることを意味した。

電子については状況がより複雑であった。局所ミラー(磁場の局所的な強い領域)に捕獲された電子の異常拡散や、マイクロ波反射計で測った局所密度揺らぎの研究から、低周波乱流が電子の異常輸送を引き起こしているという描像が深まった。乱流スペクトルの解析とエネルギー閉じ込め時間との相関が調べられ、揺らぎの大きさと閉じ込めの良さが結びつくことが示された。さらに、ペレット入射時に観測された約100マイクロ秒の速い熱輸送は、通常の拡散的輸送とは別の、ディスラプションと共通する非拡散的な過程の存在を示唆した。物質輸送はそれよりずっと遅い約10ミリ秒の時間スケールで緩和し、一次元輸送コード(MAKOKOT)で、ペレット入射前後で同じ輸送係数のプラズマパラメータ依存性を使って再現できた。このことは、輸送係数が局所的なプラズマパラメータで決まるという「局所輸送」の描像の妥当性を支持した。

TFR のデータを基に、エネルギー閉じ込め時間、臨界電子密度、電子・イオン温度、臨界プラズマ圧力などのスケーリング則が導かれ、他のトカマクのデータと比較された。こうした経験則は、当時計画されていた国際熱核融合実験炉(INTOR)の性能予測に用いられた。閉じ込めスケーリングの研究が次世代装置の設計に直結するという、今日でも続く研究様式がここに確立されていた。粒子閉じ込め時間についても考察が加えられ、不純物(酸素と炭素)の線放射を数値シミュレーションと比較する形で軽不純物の輸送係数が評価された。

MHD 活動とディスラプション

トカマクの閉じ込めを突き上げる最大の現象はディスラプション、すなわちプラズマ電流が急速に失われる不安定現象である。TFR では、ディスラプションの際の低周波振動の構造がミルノフコイルと軟X線の信号解析によって調べられ、ディスラプションが単一のモードではなく複数の磁気モードの連鎖として進行することが明らかにされた。ディスラプション後のプラズマ(ポストディスラプティブ・プラズマ)の状態も研究され、電流終端の物理への理解が進んだ。

もう一つの重要な主題は「電流限界」である。プラズマ縁の安全因子 q(a) を小さくしていくと、ある限界を境にディスラプションが頻発してそれ以上電流を上げられなくなる。TFR は意図的に低 q(a) 条件で運転され、この限界の物理が詳しく調べられた。磁面の「スキニング」(電流分布が表面に偏在すること)が関与する可能性を検証するため、トロイダル磁場を時間的に変化させる手法が用いられ、ミルノフコイルと軟X線の詳細な解析と組み合わせて電流限界の機構が議論された。また、q = 1 面上の m = 1, n = 1 モード(サフマック振動)はペレット入射時の速い熱輸送にも現れるなど、内部の磁気構造を映し出す指標としても活用された。

こうして TFR で蓄積された知見——ICRF 加熱の実用化、乱流と閉じ込めの相関、ディスラプションのモード構造、電流限界の経験則——は、装置そのものが運転を終えた後も、後継の大型トカマクの設計と運転の基礎として受け継がれた。