VEST

VEST（Versatile Experiment Spherical Torus、多目的実験球状トーラス）は、ソウル大学校に設置された大学規模の球状トーラス（球状トカマク）実験装置である。2011年11月に初プラズマを達成し、低アスペクト比トーラス特有の閉じ込め物理の研究、ならびに大学規模装置としての診断・加熱・電流駆動技術の開発を目的として運用されている。装置の断面図を下の図に示す。

図は真空容器と周辺機器の側面断面であり、中心ソレノイドを囲む上部・主部・下部の三つの容器セグメント、主Oリングによる真空シール部、残留ガス分析計や真空ポンプの配置、光学分光の視線（紫の領域）が見て取れる。主シールがOリングであるため容器全体の高温ベーキングはできず、これが後述の壁条件付け戦略に直接影響している。

装置と研究目的

VESTは球状トーラスの典型として、プラズマの大半径に対するトロイダル磁場コイルの小半径の比（アスペクト比）を従来トカマクより大幅に小さくした構成をとる。代表的な運転実績としては、トロイダル磁場0.18 T、プラズマ電流130 kA、パルス長10 ms程度のオーミック放電が挙げられる。低アスペクト比では同じ装置サイズで高いプラズマ電流と高ベータが得やすく、衝突頻度の低い高ベータ領域でのトロイダル閉じ込め物理の検証に適する。一方で大学規模装置であるため、加熱出力・診断・真空性能に制約があり、その制約下でいかにプラズマ性能を引き出すかが装置固有の研究課題となっている。運転領域の解析によれば、性能は圧力駆動不安定性ではなく電流駆動の不安定性、すなわち理想n=1キンクモードやピーリングモード、抵抗性n=1・n=2モードによって主に制限されており、規格化ベータはトロイオン限界には達していない。このため低エッジ安全係数領域の運転境界の理解が運転計画の中心にある。

プラズマ立ち上げと磁気運転

球状トーラスでは中心ソレノイドの巻数と空間が限られ、フラックススイングが不足しがちである。VESTではこの制約に対処するため、部分ソレノイドコイルを用いた初期プラズマ立ち上げが研究され、初プラズマ実験と磁気平衡の設計・診断系の整備が進められた。また、内部再結合事象（IRE）を利用した立ち上げ・加熱過程も調べられており、IREの際に不純物イオンのトロイダル回転が加速・減速されることがイオンドップラー分光で観測された。興味深いことに、イオン加熱は回転加速に先行して観測され、この回転加速は再結合の外向き流や電流分布変化が誘起するトロイダル電場ではなく、新古典トロイダル粘性（NTV）トルクによる加速として説明できることが、1/ν衝突領域のNTVトルクを含む0次元運動量収支モデルとの比較から示されている。壁条件付けの方法を変えることで互いに逆向きのトルクを持つIRE放電を作り分けられる点も、トルク源の同定を可能にした。

加熱と電流駆動系

定常運転に不可欠な非誘導電流駆動として、VESTでは下部混成共振周波数帯の高速波（LHFW）を用いる電流駆動の実証研究が進められている。従来の下部混成波電流駆動（LHCD）は高効率であるものの高密度プラズマで効率が落ちる密度限界を持ち、これを克服する候補として、LHCDと同じ周波数帯でありながら速い垂直群速度を持ち高密度中心部まで侵入できる高速波が注目されてきた。磁場に平行な電場成分が比較的大きいためランダウ減衰による効率的な電流駆動が期待できる点も利点である。VESTでは旧UHF放送用クライストロンを再生した10 kW級RF電源と、コムライン型進行波アンテナが新たに開発されて導入され、RFコンディショニングによるアンテナ性能の改善が行われた。RF入力の有無による平衡の時間発展の比較を下の図に示す。

図はRF入力なし(a)とあり(b)の放電について、磁気平衡・大半径・小半径・エロンゲーションの時間発展を並べたものであり、RF入力時にはアンテナとのカップリングが改善された時間帯（緑の帯）が示されている。この系は高密度プラズマでの高効率電流駆動の実現可能性を検証する実験的基盤となっている。また、中性ビーム入射（NBI）システムについても、パルスアークプラズマソースと電源系の設計・試運転、大電流・均一な大規模パルスアークイオン源の最適化、ビーム成分比制御による加熱効率の向上が研究されている。

診断とデータ基盤

VESTでは基本診断から先端的な計測まで幅広く整備されてきた。電子温度・密度計測のためのトムソン散乱装置は設計・開発・増強が段階的に進められ、磁気診断系も設計・試運転された。密度計測では、従来の94 GHzヘテロダイン干渉計に加え、50–75 GHzの掃引周波数干渉計（FSI）が導入された。FSIは位相の時間微分と掃引速度から群遅延を求めて線積分密度を得るため、位相誤差が後続の測定に伝播して測定不能になる従来の干渉計と異なり、放電全期間を通じて線積分密度を提供できる。これはプラズマ屈折によるビーム経路変位で頻繁に位相誤差が生じる環境で特に有効であり、定常プラズマの診断に適した方式といえる。さらに、ヘリウム電荷交換分光と水素ビーム発光分光の複合システム、連続スペクトルを計測する逃走電子用硬X線検出器、多チャンネル干渉計の設計なども進められている。データ基盤の面では、FAIR原則とIMAS規格に整合した統合解析プラットフォームが構築され、診断処理から電磁場モデリング、平衡再構成、運動量分布フィッティング、線形MHD安定性解析までを一連のワークフローで結び、大学規模装置が国際的なデータ標準を採用する実例となっている。

閉じ込めと壁条件付け

VESTの真空容器は主Oリングシールのため470 K以上の均一な全体ベーキングが不可能であり、高いベース圧と脱ガスに起因する酸素流入が放射損失を通じてエネルギー閉じ込めを制約してきた。これに対処するため、ホウ素化（ボロナイゼーション）による壁条件付けが導入・改良された。ホウ素薄膜はプラズマ対向面に形成され、酸化物層が高いギブズ自由エネルギーで酸素を捕獲するゲッターとして働き、不純物輻射を低減する。ただし薄膜表面層には水素が蓄積して制御不能な燃料供給源となるため、前駆体の投入量を増やせば不純物は減るが壁からの燃料供給が増えるというトレードオフがあり、最適な投入量が存在する。このため、第一壁ベーキングシステムによる水の脱離促進と、ホウ素蒸発器の増設によるトロイダル被覆率の向上と再凝縮損失の低減が図られた。単一蒸発器と二蒸発器系でのホウ素含有膜の到達範囲の違いを下の図に示す。

図はVEST上面図に従来の単一蒸発器ポート方向と、それによるホウ素膜の特徴的減衰長（赤の円弧）を重ねたものであり、二蒸発器系では青の円弧で示されるように被覆がトロイダル方向に大きく広がる。この改良により、オーミック放電において放射損失（不純物輝線と制動放射）と全損失の両方から決定される最適ホウ素化投入量が実験的に特定され、エネルギー閉じ込め時間の向上が確認された。壁条件付けと不純物監視システムの整備は、低アスペクト比装置で高閉じ込め領域に到達するうえで鍵となる要素技術として位置づけられている。