波動電流駆動

波動電流駆動とは、トカマクなどの磁場閉じ込めプラズマに対して外部から電磁波を照射し、その波が共鳴する粒子に運動量を与えることで、トランス（変圧器）に頼らずにプラズマ電流を直接駆動する手法の総称である。トカマクのプラズマ電流は本来、変圧器が誘起する電圧によって生み出されるが、誘起電圧では定常運転ができないため、炉のような定常炉心を実現するには非誘導的な電流駆動が不可欠であり、波動電流駆動はその主要な候補の一つである。駆動に用いる波の周波数帯によって低域混成波、高速波、電子サイクロトロン波、電子バーンシュタイン波、ヘリコン波などいくつかの方式に分かれ、それぞれ到達性と吸収機構が異なる。以下ではまず物理原理を説明し、次にアンテナと波動スペクトル、伝播と到達性、周波数帯ごとの特徴、最後に駆動効率と炉への応用を述べる。

物理原理

波動電流駆動の鍵となるのは、波がプラズマ中の粒子と共鳴するときの「方向性」である。トカマクの磁場はトロイダル方向を向き、プラズマ電流も同じ方向に流れる。そこでアンテナから、トロイダル方向に位相が進む（または遅れる）ように波を励起すると、波は平行方向（磁力線に沿った方向）に一定の位相速度を持つ。この位相速度が電子の熱速度より十分大きい領域で、波と同じ向きに動く電子だけがランダウ共鳴やサイクロトロン共鳴によって波からエネルギーを吸収する。吸収した電子は一方向に速くなるが、衝突は速い電子ほど弱くなるため、電子の運動量がイオンに等しく散逸する前に長い距離を流れ、正味の電流が残る。これが「非対称な共鳴吸収が電流を駆動する」機構であり、電流駆動では加熱と違って波のスペクトルに左右の非対称性が本質的に必要となる。

駆動電流の大きさと効率は、共鳴電子の速度分布がどれだけ歪むかで決まる。波の平行位相速度が熱速度に近すぎると、衝突が激しく効率が落ち、遠すぎると吸収そのものが起きない。このトレードオフが各方式の設計指針を支配している。また、共鳴電子が捕獲粒子（バナナ軌道の電子）である場合には電流に寄与しないため、トロイダル性を考慮した効率評価が不可欠である。さらに、波が駆動する電流はプラズマの自己組織的な応答（ブートストラップ電流に似た機構）とも相互作用し、駆動電流のプロファイルが平衡の磁気流体安定性を左右するため、電流の大きさだけでなくその空間分布が重要となる。

発射構造と波動スペクトル

波動電流駆動では、アンテナが決める平行屈折率 N∥（波の平行位相速度を光速で割った量）のスペクトルが駆動性能を直接支配する。アンテナは複数の電流ストラップを位相をずらして駆動することで、特定の N∥ にピークを持つスペクトルを作る。近年注目されているのが進行波アンテナ（トラベリングウェーブアンテナ）で、多数のストラップを直列に接続して波をプラズマ側へ送り込みながら吸収させる構造を持ち、負荷変動に対する整合性が高く、狭い N∥ スペクトルを安定して出せる点で有利である。実際、JFT-2M や DIII-D、KSTAR などの装置で進行波アンテナが導入され、真空から H モードまでの幅広い負荷条件で外部整合回路なしに低反射の結合が達成されている。

図は KSTAR 型進行波アンテナの基本構造と、その N∥ 電力スペクトルを示す。ファラデーシールドと複数の電流ストラップからなるアンテナ箱の構造（上段・中段）に対応して、下段のスペクトルには N∥ ≈ 3.2 に主ピーク、N∥ ≈ 8.6 に副ピークが現れ、主ピークの両側に符号の異なるサイドバンドが分布する様子が分かる。

アンテナ構造がスペクトルをどう変えるかは単なる設計の問題ではなく、駆動物理そのものに関わる。主ピークの N∥ は共鳴電子の速度を決め、サイドバンドの符号は逆向きの電流成分を生みうる。例えば球状トカマクでのシミュレーションでは、主ピーク近傍の狭い領域だけでなく、符号が逆のサイドバンドが低密度プラズマ中の駆動に寄与しうることが指摘されている。また、N∥ スペクトルの幅も吸収に影響し、狭いスペクトル（例えば ΔN∥ ≲ 0.6 程度）が有利とされる一方、ある幅を超えると吸収への感度はほぼ消える。さらに、境界プラズマの乱流やスクレイプオフ層の存在が波の伝播と吸収を乱す可能性があり、アンテナから炉心までの結合を含めて系統的に扱う必要がある。

波動伝播と到達性

駆動したい場所まで波が届くかどうかは、方式の選択を左右する最大の制約である。磁化プラズマ中の電磁波は密度と磁場に依存する分散関係を持ち、特定の密度でカットオフ（伝播不能）や共鳴（吸収・変換）が起こる。低域混成波電流駆動では、波の周波数が低域混成共鳴周波数を下回る条件でのみ高密度側への到達性が保たれるが、炉心のような高密度では低域混成共鳴層に達する前に波が遮られ、駆動が困難になる。この「到達性の壁」が低域混成波方式の主な弱点であり、逆に、周波数を低域混成共鳴より低く保てば到達性が保たれるヘリコン波（低域混成周波数帯の高速波）が高密度プラズマでのオフ軸駆動の候補として注目される理由である。

図は、重水素プラズマ（B₀ = 7.2 T、f = 1.4 GHz）における低速波と高速波の伝播可能な密度範囲を、平行屈折率 n∥ ごとに示したものである。低速波（n∥ = 3, 8）は低域混成共鳴によって高密度側への伝播が遮られるのに対し、高速波（n∥ = 2）はカットオフを越えて高密度領域まで届くことが読み取れる。

このように、同じ周波数帯でも分岐（低速波か高速波か）と N∥ の選択によって到達性が大きく変わる。電子バーンシュタイン波は密度カットオフを持たないため、電子プラズマ周波数が電子サイクロトロン周波数を上回る「過密度」プラズマでも駆動が可能であり、球状トカマクのような高密度炉心で特に有利とされる。一方、電子サイクロトロン波は密度カットオフ以下でしか使えないため、高密度運転では使える周波数と位置が制限される。波が境界から炉心まで到達する過程では、O-X-B 変換（通常波から異常波、さらにバーンシュタイン波へのモード変換）のような変換過程を経ることもあり、この変換効率が入射角度や密度勾配に敏感であることが知られている。伝播の解析にはしばしば幾何学的光学的なレイトレーシングが用いられるが、回折や複数回反射、トロイダル性による N∥ の変化など、幾何光学的近似を超える効果が効率に影響するため、全波コードによる詳細計算が併用される。

周波数帯による分類

波動電流駆動は、用いる波の周波数帯によっていくつかの方式に大別される。それぞれの帯で吸収機構と到達性が異なり、駆動できる電流の位置と効率も変わる。

**低域混成波電流駆動**は、最も長い実績を持つ方式である。数 GHz 帯の波を電子のランダウ共鳴で吸収させ、比較的狭く方向性のある電流を駆動できる。ただし前述の到達性の制約から、高密度炉心への適用は難しく、主にプラズマ縁側の電流プロファイル制御や、高密度では到達性が失われるという課題を抱える。

**高速波電流駆動**は、イオンサイクロトロン周波数帯（数十 MHz）から低域混成周波数帯（数百 MHz～GHz）までの広い範囲で使われる。イオンサイクロトロン周波数帯の高速波は到達性が良く高密度でも使えるが、イオンサイクロトロン共鳴やイオンによる競合吸収が効きやすく、電流駆動効率を確保するには周波数と N∥ を慎重に選ぶ必要がある。炉のような高密度・高温プラズマでは、イオンサイクロトロン減衰とアルファ粒子によるドップラー広がりが強く、使える周波数帯が数か所に限られることが示されている。一方、低域混成周波数より低い周波数の高速波、すなわちヘリコン波は、電子のランダウ減衰が強く高ベータプラズマで効率的に電子へ吸収されるため、オフ軸電流駆動の有力候補とされている。高ベータではイオンサイクロトロン減衰が弱くなる（周波数がイオンサイクロトロン周波数の数十倍になる）一方で電子減衰が支配的になり、波のスペクトル制御によって吸収位置を制御できる。

電子サイクロトロン波・電子バーンシュタイン波電流駆動は、百 GHz を超えるマイクロ波をジャイロトロンから照射する方式である。電子サイクロトロン波は到達性の制約から高密度には弱いが、狭い領域に局在した電流を駆動でき、安定性制御に向く。電子バーンシュタイン波は密度カットオフを持たないため過密度プラズマに適し、球状トカマクのような高密度炉心で電子サイクロトロン波より高い効率が見込まれるとされる。ただし、バーンシュタイン波の伝播と吸収には相対論的効果が無視できない。炉心温度（20 keV 程度）では共鳴曲線のシフトや狭まりが生じ、非相対論的な近似では弱減衰近似が破れてレイトレーシング自体が成立しなくなる領域があるため、完全相対論的な分散関係を用いた解析が進められている。

アルフベン波電流駆動は、より低い周波数帯の剪断アルフベン波を用いる方式で、低密度プラズマでの実証が試みられてきた。到達性と吸収の制約から、炉心駆動の主役というより特定の条件下での補助的手段と位置づけられている。

これらの方式は互いに排他的ではなく、組み合わせによる相乗効果が知られている。例えば低域混成波と高調波高速波を同時に照射すると、低域混成波が低い平行速度の電子を共鳴領域へ押し上げ、その電子が高周波側の波の共鳴領域に入ることで、単独では得られない駆動電流の増大とプロファイル制御が可能になる。この種の相乗効果は、2 種類の波の速度空間における共鳴領域の位置関係に強く依存する。

駆動効率と炉への応用

波動電流駆動の実用性は、単位入力電力あたりに駆動できる電流量（効率）で評価される。効率は共鳴粒子の速度、電子温度、有効イオン価数（不純物による衝突頻度の変化）、捕獲電子の影響などによって決まり、トロイダル幾何を考慮した随伴法に基づく経験式が広く用いられている。一般に、電子温度が高いほど衝突が弱くなり効率は向上する。数値的には、例えば CFETR のハイブリッドシナリオを想定したヘリコン波駆動の解析で、最大効率として 2.8×10¹⁹ A·W⁻¹·m⁻² 程度の値が報告されており、これは中性粒子線入射や電子サイクロトロン加熱による駆動と同程度の水準である。

炉設計では、効率だけでなく駆動電流の空間プロファイルが同じくらい重要である。定常炉心では、プラズマ中心部の安全性を保つために電流分布を制御する必要があり、特に逆せん断や負のせん断配置を実現するにはオフ軸電流駆動が不可欠とされる。ヘリコン波は高ベータで電子減衰が強いため波が炉心中心まで届く前に吸収され、これが逆にオフ軸駆動とその位置制御に利用できる。電子バーンシュタイン波も球状トカマクのオフ軸駆動に適し、電子サイクロトロン波の数倍の効率が見込まれるとの評価がある。一方、高速波を用いた炉設計では、アルファ粒子による吸収や不純物の影響が課題であり、使える周波数帯が限定されることが示されている。

定常炉の電流駆動システムは、入力マイクロ波の総量が数百メガワット級に達するため、循環電力が全体効率を左右する。このため駆動効率のわずかな差がプラント全体のエネルギー収支に直結し、方式選定とパラメータ最適化が炉設計の重要な要素となっている。現在、ITER や DEMO、CFETR、STEP といった装置の設計検討において、複数の波動電流駆動方式が並行して評価されており、それぞれの到達性、効率、プロファイル制御能力、そして既存の加熱システムとの互換性を総合して、炉心電流のどの部分をどの方式で担うかが決められつつある。