波動加熱

波動加熱とは、外部から高周波電磁場をプラズマに注入し、共鳴機構を通じてエネルギーを粒子に移すプラズマ加熱法の総称である。磁場閉じ込めプラズマでは、イオンや電子のサイクロトロン運動、あるいはプラズマ固有の波動モードと入射波の周波数を一致させることで、選択的にエネルギーを沈着できる。中性粒子ビーム入射と並ぶ主要な補助加熱手段であり、加熱だけでなく非誘導電流駆動や境界プラズマ制御への応用も発展してきた。波動をプラズマへ送り込むアンテナ系の実例として、トロイダル装置ヘリマクに設置されたヘリコン波アンテナの写真を以下に示す。

図には、巻きスパイラル状の導体からなるアンテナの近接写真と、真空容器壁面に沿って配置されたアンテナ系全体の様子が写っている。波動加熱では、このようなアンテナで励起された波が境界プラズマを通過して芯部へ到達し、そこで吸収されるという一連の過程が成否を左右する。

磁化プラズマにおける波動加熱の原理

波動加熱の基本は、入射した電磁波がプラズマ中で共鳴点に達したときに起こるエネルギー移譲である。磁場中の荷電粒子は磁力線のまわりをサイクロトロン周波数で回転しており、波の電場がこの回転と同位相で粒子を押し続けられれば、粒子は継続的に加速される。イオンサイクロトロン周波数帯の波はイオンの回転運動を、電子サイクロトロン周波数帯の波は電子の回転運動を直接加速する。また、ランダウ減衰のように波の平行電場と粒子の平行運動が位相同期する機構でもエネルギーは吸収され、これは電子加熱や電流駆動で重要になる。

吸収が効くためには、波がまず共鳴点までプラズマ中を伝播できなければならない。磁化プラズマは異方性のある媒質であり、密度と磁場強度によって特定の周波数帯の波がカットオフで反射されたり、エバネッセント層を通過できなかったりする。このため各加熱法は、狙う共鳴に対応した周波数帯と、プラズマへアクセスできる伝播モードの組み合わせで特徴づけられる。密度の高い「過剰密度」プラズマでは電子サイクロトロン帯の通常のモードがカットオフとなるが、後述のバーンスタイン波はこのような条件でも加熱できる点で特異である。

吸収されたパワーの空間分布は、波線追跡計算やフル波計算によって求められる。共鳴面の位置は磁場強度で決まるため、周波数や磁場を選ぶことで加熱位置をある程度制御でき、これが波動加熱の大きな利点である。局所的なパワー沈着は熱波を発生させる手段として輸送研究にも利用されてきた。

主要な波動加熱方式

イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）は、数十MHz帯の高周波を用いてイオンのサイクロトロン共鳴（またはその高調波）でイオンを直接加熱する方式である。高出力密度と技術的成熟度を持ち、トカマクとヘリアカル装置の両方で最も広く使われる補助加熱の一つとなっている。二成分プラズマ中の高速波加熱のように、水素や重水素など複数イオン種が共存するプラズマでの吸収機構は単純でなく、イオン種組成が加熱効率を左右する。また、境界プラズマの密度が低いと高速波がエバネッセントとなってカップリングが劣化するという固有の難点があり、アンテナ近傍でのガス噴射による局所密度向上が広く行われてきた。

低域混成波加熱は、イオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数の間の周波数帯を用いる方式で、バルクイオン加熱、バルク電子加熱、非誘導電流駆動の三つの応用で有効性が示されてきた多用途な手法である。イオン・バーンスタイン波加熱の実験では、波のカップリングに伴う高周波シースの形成やプラズマ密度上昇、ポンプ波のパラメトリック減衰といった境界での非線形過程が観測されており、高調波高速波加熱でもエッジプラズマでのパラメトリック減衰不安定性が報告されている。境界での寄生カップリングや損失は、芯部への純粋なパワー沈着を評価するうえで常に考慮すべき要素である。

電子サイクロトロン加熱は、数十GHzから百GHz超のマイクロ波を電子サイクロトロン共鳴で吸収させる方式で、ビーム状の波を集めて精密な局所加熱ができる点が特徴である。一方、球状トカマクのように高ベータ運転では通常のOモード・Xモードがカットオフとなるため、電子サイクロトロン帯で使える手段が事実上バーンスタイン波（EBW）に限られる。EBWは準静電的な波であり、適切に入射したOモードまたはXモードのモード変換によって励起される。静電波であるため平行屈折率を1より大きくでき、効率的な電流駆動に有利であり、強いサイクロトロン減衰によって高調波でも効率よく加熱できる。数値研究では、球状トカマクのプラズマ半径全体にわたってパワー沈着と電流駆動が可能であり、アンテナの垂直位置の選択で制御できることが示されている。ただしEBWの伝播は密度分布に強く敏感で、密度ゆらぎやパラメトリック不安定性が変換効率に影響する。

アルフベン波加熱は、イオンサイクロトロン周波数より低い周波数帯でアルフベン波を励起する方式である。アルフベン波は磁力線に沿って伝わる低周波の磁気流体波であり、プラズマのアルフベン速度で決まる共鳴面で吸収される。トカマクやシータピンチでの実験が行われ、励起されるアルフベン波スペクトルの変化が電流分布の変化として現れることが推定されるなど、加熱と同時に波動診断への応用も示唆されてきた。複数イオン種プラズマではアルフベン波の分散関係自体が修飾され、吸収特性が変わる。

ヘリコン波はイオンと電子のサイクロトロン周波数の間の周波数帯（数百MHz程度）の波で、電極を使わない構成で極めて電離効率が高く高密度プラズマを生成できることで知られ、プラズマ・材料相互作用研究や電気推進で広く使われてきた。トロイダル核融合プラズマでの加熱・電流駆動も検討されており、線追跡計算では、ポロイダル入射角を変えても吸収率はほぼ変わらず沈着ピークが芯部へ移動すること、駆動電流効率が平行屈折率に対して極大を持つこと、コア温度の上昇と密度の低下で駆動電流が増えることが示されている。また、スクレイプオフ層を含む計算ではパワー吸収の数％から数割がSOLで失われうる。さらに近年は、ヘリコン波が持つ強い電離能力と低不純物生成、遅い波（トリビピース・グールド波）成分を利用して、SOL密度を能動的に高めICRHのカップリングを改善する境界制御手段として注目されている。

アンテナと波動・プラズマカップリング

波動加熱系の性能は、波源そのものよりアンテナとプラズマのカップリングで決まることが多い。アンテナは真空容器壁のポートを通して波を励起するが、波がプラズマに届くまでにはエバネッセント層や境界プラズマを通過する必要があり、境界密度が低いと反射が増え、アンテナ負荷が不均一になる。ICRHではこれを避けるためにアンテナ近傍での局所ガス噴射が用いられてきたが、放射損失の増大や密度分布の不均一、中性ガス輸送に起因する時間制御の難しさという代償を伴う。

アンテナ形状と配置は励起される波動スペクトル、すなわち平行屈折率分布を決め、ひいては吸収と電流駆動の効率を決める。ヘリコン波系では、長方形スパイラル、円形スパイラル、くし型、S字屈曲といった異なる電流経路を持つ複数の平面アンテナ構成が比較検討されており、アンテナ幾何と設置位置・向きの走査から次世代アンテナの設計原理が導かれている。アルフベン波加熱でも、モジュール化されたヘリカルアンテナがトカマク用に開発されるなど、目的の波動モードを効率よく励起するアンテナ設計が各方式共通の課題である。

カップリングを取り巻く境界物理も重要である。高周波はシースやエッジ密度上昇を誘起し、パラメトリック減衰によるパワーの散逸経路を作る。マイクロ波加熱ではエッジ乱流によるビームの広がりが沈着位置の精度を下げる要因となり、高速波加熱ではエッジでのイオン・バーンスタイン波への寄生カップリングが損失経路となる。このため現代の波動加熱研究では、アンテナ近傍から吸収点までを一貫して扱う三次元フル波・マルチフィジックスモデルによる解析が進んでいる。

応用：加熱、電流駆動、境界制御

波動加熱の第一の用途は補助加熱であり、イオン加熱ではICRH、電子加熱では電子サイクロトロン加熱が主役である。低域混成波はイオン・電子両方のバルク加熱に使える。加熱と並ぶ第二の柱が非誘導電流駆動である。トカマクの定常運転にはトランスによらない電流駆動が不可欠であり、低域混成波はこの目的で最も実績のある手法の一つである。EBWは平行屈折率が1を超えられる静電波であるため電流駆動に有利で、実験でも初期的な電流駆動が確認されている。ヘリコン波も電流駆動候補として研究が進められている。

第三の、比較的新しい応用が境界・スクレイプオフ層の制御である。SOLの状態は高周波波動のアクセス性と吸収、不純物輸送、ダイバータへの熱負荷を左右し、ひいては全体的な閉じ込め性能を決める。ヘリコン波の高い電離効率を利用してSOL密度を局所的かつ定常的に上げ、ICRHアンテナのカップリング改善、アンテナ負荷の非対称性の緩和、ダイバータ熱流束の低減、さらにはエッジ局在モードへの影響まで視野に入れた構想が提案されている。波動加熱がプラズマの「中」を加熱する技術から、プラズマの縁を設計する技術へと広がりつつあるのが現在の潮流である。