壁コンディショニング

壁コンディショニング（wall conditioning）とは、核融合装置の真空容器内壁およびプラズマ対向機器（PFC）の表面を、実際のプラズマ運転に先立って、あるいは放電と放電の合間に処理し、不純物の放出と水素のリサイクリングを制御する一連の技術である。トカマクやステラレータでは、プラズマと接する壁の状態がプラズマ性能を直接左右する。壁に吸着・蓄積した水や一酸化炭素、炭化水素は放電中にプラズマ中に放出されて輻射損失や不純物汚染の原因となり、また壁に保持された水素同位体は燃料比や粒子リサイクリングを制御不能にする。壁コンディショニングは、これらの不純物を除去し、壁の吸着状態を意図的に整えることで、再現性の高い高性能プラズマを実現するための、現代の磁気閉じ込め装置に不可欠な運転要素となっている。実際にどのような装置で行われているかを示すため、グロー放電によるコンディショニング系の全体構成を図に示す。

図は、環状真空容器の極断面と、グロー放電電源、陽極電極、質量流量制御器、残留ガス分析計、排気系からなるコンディショニング設備の配置を模式的に示したものである。容器内壁に沿って陽極が設置され、容器自体が陰極として機能することで、容器全体を覆う低温度プラズマが生成される。このようにして生成された放電プラズマ中のイオンやラジカルが壁表面の吸着分子を叩き出し、排気系によって容器外へ持ち去るのが、壁コンディショニングの最も基本的な描像である。

目的と物理的基礎

壁コンディショニングが扱う二つの中心的な問題は、プラズマ・表面相互作用による不純物の発生と、水素同位体のリサイクリングの制御である。炭素や金属の壁面は、運転中のプラズマ照射によって水、酸素、炭素を含む揮発性分子（H₂O、CO、CO₂、CH₄ など）を吸着・蓄積する。次の放電が始まると、これらはプラズマとの接触によって直ちに脱離し、電子温度の低い初期プラズマでは輻射損失として効き、プラズマの立ち上がりや閉じ込めを劣化させる。また壁に保持された水素は放電ごとに出入りを繰り返すため、投入燃料に対する実際のプラズマ組成（例えば水素と重水素の比）が制御できなくなる。重水素放電で水素分率が高いと、イオンサイクロトロン加熱での少数種加熱の効率低下など、性能上の実害が生じる。

コンディショニングの効果は、残留ガス分析計による分圧の時間変化で監視されるのが標準である。水素グロー放電を開始すると、CH₄ や CO は初期に高い分圧から放電とともに除去されて単調に減少する一方、壁から放出された H₂O は逆に時間とともに増加して後からゆっくり減少する、という特徴的な挙動が観測される。これは、放電プラズマが壁の吸着層を一様に「洗い流す」のではなく、化学的な交換反応を介して吸着種を逐次脱離させていることを示している。この監視データに基づいて放電時間や作動ガスを選ぶのが、日常的なコンディショニング運用の実態である。

図は、純水素グロー放電（上）とアルゴン・水素混合ガス放電（下）における不純物分圧の時間発展を比較したものである。水素放電では H₂O の分圧が放電開始後に大きく増加するのに対し、混合ガス放電では H₂O を含む各不純物がより速く、より深く除去される。この違いはイオン化学に由来する。アルゴンと水素の低温プラズマでは ArH⁺ イオンが優勢に生成され（Ar⁺ と H₂ の反応の速度係数は他の希ガス水素化物生成より一桁以上大きい）、この質量の大きいイオンが壁の吸着分子に大きな運動量を与えて、水素イオンでは切れない強い結合を切断できる。さらにアルゴンイオンと水素原子の同時照射は炭化水素膜の化学スパッタリング閾値を大きく下げるため、スパッタによる壁の損傷を抑えながら除去効率を上げられる。このように、作動ガスの選択そのものがコンディショニングの化学を決める。

グロー放電コンディショニングとテイラー放電コンディショニング

グロー放電コンディショニング（GDC）は、最も広く用いられてきた手法である。容器内に設けた陽極と接地した容器壁（陰極）の間に数百ボルトの直流を印加し、希薄ガス中のグロー放電を容器全体に広げる。作動ガスには水素（または重水素）が使われ、水素イオンの化学的作用で酸素や炭素の不純物を H₂O、CO、CH₄ などの揮発性分子として壁から引き剥がし、直ちに排気する。運転の前日や週末に数時間の GDC を行って壁を整えるのが、多くの装置での定型運用である。炭素壁の装置ではヘリウム GDC も併用される。ヘリウムは炭素への保持が水素よりはるかに少ないため、壁に蓄積した水素をヘリウムイオンのスパッタリングで物理的に叩き出せるからである。ただしヘリウムは極めて凝縮温度が低くクライオポンプで排気しにくいという運用上の難点があり、前節の Ar–H₂ 混合ガス GDC のような変法が開発されている。

テイラー放電コンディショニング（TDC）は、GDC が使えない状況での代替として発展した手法である。中央ソレノイドの磁束スイングによってトロイダル電場を誘導し、その電場で容器内に低温度の放電（テイラー放電）を起こして壁を処理する。陽極電極を必要とせず、誘導電場だけで容器全体の放電が得られる点が特徴で、GDC と並んで通常導体コイルの装置では放電間の壁処理の主力となっている。ただし誘導電場の大きさはコイルのスイングに依存するため、超伝導装置では後述のように利用が難しくなる。

低Z壁コーティング：ホウ素化、シリコン化、リチウム

不純物を「除去する」だけでなく、壁そのものを好ましい材料で覆うという発想が低Zコーティングである。炭素や酸素といった高Z不純物は高電荷を持つため輻射損失が大きいが、壁をリチウム、ホウ素、ベリリリウムのような原子番号の小さい材料で覆うと、仮にスパッタされてプラズマに入っても許容できる損失で済む。さらにこれらの膜は水素の吸着・再結合特性を変えてリサイクリングを下げる効果も持つ。

ホウ素化は、ジボランなどのガスをグロー放電中に分解して壁に非晶質ホウ素膜を堆積させる手法で、1980年代以降多くのトカマクで標準的な前処理となった。炭素壁装置では水素リサイクリングの低下と酸素不純物の固定という二重の効果がある。近年はガスに代えてホウ素粉末をプラズマ中に直接注入する手法が開発され、運転放電を中断せずにリアルタイムで壁を処理できるようになった。リチウムコーティングはさらに強力である。リチウムは水素を強く吸収するゲッター材料であり、蒸着や微粉末の連続注入によって壁の水素分率とリサイクリングを大幅に下げられる。リチウム化された壁では水素分率が数パーセント程度まで下がり、Hモードへの遷移閾値の低下や長時間Hモード維持など、装置の性能記録の更新に直接結びついた例がある。一方でリチウムはプラズマ中への侵入自体が輻射源にもなりうるため、投入量の制御が重要である。シリコン化も同様にグロー放電を用いたコーティング手法であり、ホウ素化と同程度の効果が報告されている。これらの膜の状態や堆積層の成長は、レーザー誘起ブレークダウン分光などによるその場診断で監視できるようになっている。

高周波壁コンディショニング：ICWC と ECWC

グロー放電とテイラー放電は、いずれもトロイダル磁場が存在しない状態、あるいは誘導電場を作れる状態を前提とする。ここに現代的な問題がある。超伝導コイルの装置では、コイルは実験日を通じて、あるいは数週間にわたって通電され続ける。通電中のトロイダルコイルは陽極と容器の間に直流回路を形成してしまい、GDC のグロー放電が成立しない。また中央ソレノイドのスイングで得られる誘導電場も小さく（ITER では 0.3 V/m 程度が上限）、スイング回数にも制約があるため、TDC も容易ではない。このため、トロイダル磁場が存在したまま生成できるコンディショニングプラズマが開発されてきた。

その二本柱が、イオンサイクロトロン周波数帯の波を用いる ICWC と、電子サイクロトロン周波数帯の波を用いる ECWC である。いずれも、トロイダル磁場中に注入した高周波波の共鳴吸収によって低密度・低温の部分電離プラズマを容器全体に生成し、そのプラズマとの同位体交換や脱離作用で壁の燃料・不純物を除去する。プラズマ電流を必要としないので、超伝導装置の放電間処理にそのまま使える。ECWC では電子サイクロトロン共鳴層の存在が放電成立の必要条件であり、生成プラズマは光学的に薄く、1回の通過での電力吸収効率が低いという課題がある。このため、縦磁場をわずかに加えて磁力線のピッチ角を小さくし、共鳴層付近での吸収と粒子フラックスを制御したり、磁気ミラーリングで粒子閉じ込めを改善して電離を高めたりといった、極磁場配置の最適化が進められている。除去速度はPFCへの粒子フルエンスで決まるため、プラズマが接する壁面積（プラズマ・ウェッテッド領域）を極磁場配置で広げることも性能向上に直結する。

作動ガスの選択も、金属壁装置では新たな次元を持ち始めた。炭素壁ではヘリウムプラズマが燃料除去に有効だったが、タングステンなどの金属壁では、入射エネルギーが原子変位の閾値以下であってもヘリウム照射はボイドやバブル、転位ループといった欠陥を生成し、かえって水素・ヘリウム保持を増やす。このため金属壁装置では、欠陥生成の少ない水素同位体による同位体交換、あるいはネオンやアルゴンといった希ガスを用いる ECWC が研究されている。ネオンはタングステンにほとんど保持されず欠陥生成もヘリウムより少ないが、輻射冷却率が高く、コンディショニング後のプラズマ立ち上がりを阻害しないかの評価が必要である。アルゴンではタングステンに明確な欠陥が形成されないことが材料実験で示されており、金属壁の超伝導装置向けの候補として開発が進んでいる。

超伝導装置と ITER における壁コンディショニング

超伝導装置では、ベーキング、GDC、グロー放電を用いた低Zコーティングといった実績ある手法が、定常磁場の存在下では使えないか、役割が変わる。このため現代の壁コンディショニング研究の重心は、定常磁場下で機能する手法の確立に移っている。W7-X のようなステラレータでは、ECRH 放電やヘリウム GDC をリミタ位相で組み合わせたコンディショニングが実施され、トカマクとステラレータの類似点と相違点が整理されている。JT-60SA や ITER を見据えた研究では、ICWC・ECWC に加えて、入れ子状の磁束面を持つダイバータ配置のコンディショニングプラズマ（ディバータプラズマを用いた燃料除去）が候補として挙げられている。

図は、ネオンガスを用いた ECWC 放電のための極磁場配置を示したもので、上下のダイバータコイルが作る磁気分離面と、共鳴層の位置、容器の熱壁が描かれている。このようにコンディショニング用プラズマも、本番放電と同様に磁場配置を設計して生成・制御される。

ITER では、運転期間全体を通じたトリチウム在庫管理が安全上の制約として課され、壁に保持されたトリチウムの回収が壁コンディショニングの重要な機能となる。ITER のトロイダル磁場は超伝導コイルが生成し、コイルの通電回数は装置寿命中で数十回程度に抑えられているため、直流グロー放電は原理的に使えない。初期運転段階では ECWC が唯一利用可能なコンディショニング手法とされ、上下ランチャーから最大 20 MW 級の電子サイクロトロン加熱電力を用いて大容量の真空容器内にコンディショニングプラズマを生成することが計画されている。また、運転中の異常事象（ディスラプション緩和システムの使用後）からの装置の再コンディショニング、同位体交換の支援、トリチウム在庫の制御が、ICWC・ECWC に期待される具体的な役割である。金属主壁（ベリリウム第一壁とタングステンダイバータ）を持つ JET での結果をもとに、イオンサイクロトロン壁コンディショニングを核とした条件付きトリチウム回収戦略が提案されており、現行装置での物理理解がそのまま次世代装置の運転設計に接続される段階に入っている。