X点

X点（X-point）とは、ダイバータ配置を持つトカマクプラズマにおいて、セパラトリックスが交差して磁場がゼロになる点、すなわち磁気ヌル点のことである。断面図で見ると磁力線が文字「X」の形に交差することからこの名があり、プラズマの内側と外側、そしてダイバータ脚を仕切る境界の起点となる。X点そのものは磁気平衡の幾何学的特徴にすぎないが、その近傍では磁場が弱く磁束の膨張が大きいため、プラズマの輸送・放射・安定性に特有の効果が現れる。近年とくに重要となったのは、X点直上の閉じた磁束面内に形成される冷たく高密度の強放射領域、いわゆるX点放射体（X-point radiator、XPR）であり、パワー排出とELM抑制の鍵として活発に研究されている。

ダイバート型トカマクにおけるX点

ダイバータを持つトカマクでは、最外殻磁束面（セパラトリックス）がX点で交差し、そこから下流のダイバータ脚に沿ってプラズマが排気される。X点近傍では磁場の強さが極小になるため、同じ断面積の磁束管がここで強く絞られ、また磁束の膨張係数が大きくなる。この幾何学的特徴は、プラズマと壁との接続長やスクレイプオフ層（SOL）の幅を決める要素となり、X点の位置や形状（ポロイダル方向の高さ、スロットの閉じ具合など）が排気性能そのものを左右する。実際、X点を壁の近くに置くコンパクト放射ダイバータのように、X点の配置自体を炉設計の自由度として使う考え方が生まれている。

X点は閉じた磁束面領域の端でもあるため、エッジのMHD安定性やL-H遷移の閾値電力など、閉じ込め性能に関わる諸量にも影響を与える。X点の幾何（単一ヌルか複数ヌルか、二次X点の有無、磁場方向に対するドリフトの向き）がエッジの安定性や遷移閾値を変えることは、複数の装置での実験および数値解析で示されている。また、X点近傍の磁気ヌル点は再接続の研究でも基本的な対象であり、抵抗性のX点モードのように、境界プラズマの抵抗性MHD不安定がX点の幾何を種として生じる現象も知られる。

X点近傍で何が起きているかを空間的に捉えるには、放射分布の測定と輸送シミュレーションの突き合わせが中心的な手段である。窒素シードを入れたHモード放電を対象に、ドリフトを含めた輸送コード計算で得られたX点周辺の放射電力密度分布を示す。

図はX点の下側に低温のコア（電子温度3〜10 eVの白い等温線で囲まれる）ができ、その周囲を高温の放射「マントル」が巻く構造を捉えている。このようにX点領域の放射は点ではなく、冷たい核を包む層状構造をなすことが、シミュレーションと分光トモグラフィーの両方から明らかになっている。

X点近傍の放射冷却：MARFEからXPRへ

冷たく高密度のプラズマ塊がX点近くに形成される現象は古くから知られ、炭素壁の装置ではMARFE（多極面放射層）と呼ばれてきた。MARFEは中性水素と不純物による局所冷却がきっかけで生じ、不純物放射に起因する熱的不安定性が本質である。密度閾値はプラズマ電流とともに増え、不純物濃度とともに下がるという依存性がオーミック加熱時代のモデルで再現されており、MARFEは一般に不安定で、密度極限やディスラプションの引き金となる点が問題であった。

一方、タングステンなど金属壁の装置（ASDEX Upgrade、JETなど）では、炭素が無い代わりに窒素・ネオン・アルゴンを注入して放射冷却を強めると、X点直上の閉じた磁束面内に安定した強放射領域が形成される。これがXPRである。JT-60UやASDEX UpgradeではX点上方で1 eV程度の温度、10^21 m^-3 に近い密度が測定されており、輸送コードのシミュレーションでは入力パワーの最大9割程度がX点領域だけで放射される解が再現されている。MARFEとの違いは安定性にあり、XPRはフィードバック制御下で定常的に維持でき、ディスラプションを引き起こさない。このためXPRは単なる現象ではなく、一つの運転領域として扱われるようになった。

XPRの形成機構は、X点領域のパワー収支で理解される。X点は材料面から離れた閉じ込め領域内にあり、上流側の温度は50 eVを超えるため、モデルは不純物放射のピークより高温側から出発する。解析的な簡約モデルによれば、XPRの形成にはアクセスパラメータが閾値を超えることが必要で、そこでは中性重水素密度 n₀、安全係数 q、X点での磁束膨張係数が鍵を握る。直感的には、X点に供給される熱流が不純物放射と電荷交換冷却で除去しきれなくなると局所的な温度崩壊が起き、低温高密度の放射体が定常解として現れる。中性粒子の供給（再結合・ガスパフ）と磁場幾何（接続長と磁束膨張）が、この転移の条件を決める。

XPRのアクセス条件と安定性

XPRがいつ生じ、いつMARFEへ移行するかは、実用上最も重要な問いである。簡約モデルでは、X点領域を複数の部分体積に分けてそれぞれのパワー収支を解くことで、XPRが成長しうる高さ（X点から上への鉛直方向の伸び）が求められる。XPRの高さは不純物・重水素の供給レートや加熱パワーで制御でき、これを適度に保つことがMARFE化（不安定化）を防ぐ要件となる。粒子収支を加えると、XPRがMHD的に不安定なMARFEへ発展する条件が導かれ、モデルはMARFE発生の密度閾値の実験スケーリングや、炭素壁と金属壁での発生の違い、さらに実時間MARFE回避の運転図を定性的に再現する。

図はX点上方の磁束面を模式的に示し、オレンジで塗った領域がXPRの体積に相当する。X点からの距離 d_X とXPRの高さ d_XPR、磁束面の間隔 Δh_X が、パワー収支を部分体積ごとに評価する際の幾何学的枠組みを与える。この高さの概念は、後述するELM抑制の条件とも直結する。

安定性の面では、XPRは低温側の解として存在し、窒素を主放射不純物とする場合のX点温度は典型的に5 eV以下である。ネオンでは安定化が難しいなど、不純物種による違いも報告されている。2次元輸送シミュレーション（SOLPS-ITERなど）は、簡約モデルが扱えない粒子・パワーの発生源分布、ドリフトを含む横方向輸送、高磁場側と低磁場側の非対称性を解明する手段であり、実験で観測されたXPRのアクセス条件や、X点と上流位置での温度・密度の差（X点で低温・高密度）を再現している。また、反応器スケールではXPRの解が得やすいという輸送計算の結果と、簡約モデルのスケーリング（大型機でアクセスしやすい）とは整合している。

運転領域としてのXPR：ディタッチメント、ELM抑制、制御

XPRが注目される実用的理由は、パワー排出問題への答えになりうる点にある。XPRが形成されるとダイバータは完全ディタッチメントに至り、ターゲットへの熱流は9割以上低減される。閉じ込め性能の劣化は許容範囲に留まり、XPRが閉じ込め領域内に十分深く入ると大型ELM（Type-I ELM）が消失する。ASDEX Upgradeでは、放射構造がX点から約7 cm以上の高さに達するとELM抑制が観測されており、これは上流の圧力勾配がXPRによる放射損失で低下することで説明が試みられている。ELMのない状態をLモードからHモードへの立ち上げを通じて維持できる可能性や、X点を壁近くに置いて主プラズマ体積を稼ぐコンパクト放射ダイバータの構想は、この運転領域の帰結である。

XPRの位置（高さ）は運転上の限界、すなわち放射崩壊によるディスラプションの境界と明確に相関するため、実時間フィードバック制御が不可欠である。ガス注入（不純物シード）をアクチュエータとし、X点近傍の放射測定からXPR高さを推定して制御する方式がASDEX Upgradeで実用化され、窒素シード放電でXPR位置のフィードバック制御が実証された。さらに、システム同定実験から制御向けの局所モデルを抽出し、ループ整形で制御器を設計する手法が適用され、JETでは重水素・トリチウム（DT）放電で初めてアルゴンシードによるXPR位置制御が行われた。ASDEX Upgradeでは制御器の改良により、ディタッチしたままのL-H遷移とH-L遷移を単一放電内で実現している。同定実験から得られる動特性は、加熱パワーやXPR高さによって変化することが示されており、制御設計と物理理解の両面で重要である。

同様の強放射構造は、ヘリカル装置（Wendelstein 7-X、大型ヘリカル装置）のアイランドダイバータ構成でもX点やO点に観測され、EMC3-EIRENEによる輸送計算で再現されている。XPRがトカマク固有でないことは、放射ダイバータ戦略の一般性を示唆している。

X点周辺の乱流輸送

X点は乱流輸送の観点でも特異な場所である。SOLの横方向輸送の多くを担うのはフィラメントと呼ばれる間欠的な構造だが、そのX点近傍での振る舞いは中間平面とは大きく異なる。磁束膨張と磁気せん断による磁束管の絞り込みは、X点でフィラメントとダイバータ脚との「切断」を引き起こすと考えられており、E×B流の半径方向シアも切断機構として働きうる。ガスパフ撮像による観測では、X点近傍のnear-SOLに静穏域が存在し、その外側にダイバータ固有の小規模（1〜3 cm程度）フィラメントが現れること、これらが抵抗性バルーニングモードと関連することが示されている。また、フィラメントの半径方向・ポロイダル方向の運動はB×∇Bの向きに依存する。

図はX点下のダイバータ脚を高速度カメラで撮影した連続画像であり、赤線がセパラトリックス、破線がその外側の磁束面を示す。時間とともにフィラメント状の輝度構造が脚に沿って移動・変形する様子が分かる。この種の測定は、ダイバータ脚に沿った熱・粒子再分布の評価と、乱流コードの検証の両方に用いられている。

理論・計算の側では、SOLPS-ITERなどの輸送コードが経験的な輸送係数に依存するのに対し、デタッチ条件を含むエッジ乱流の直接シミュレーションが始まっている。中性ガスと不純物放射を組み込んだ大規模乱流コードによるXPR状態のシミュレーションでは、変動振幅、半径方向輸送、静電ポテンシャル構造がXPRの有無や高さによってどう変わるかが調べられており、予測的なパワー排出研究への道が開かれつつある。X点という磁気幾何の特異点が、閉じ込めの縁において輸送・放射・安定性のすべてを結ぶ結節点であることは、今後の炉設計においてますます重要になると見られる。