東京大学大学院新領域創成科学研究科複雑理工学専攻/理学系研究科物理学専攻
江尻・辻井研究室

乱流・輸送・不安定性

核融合反応が起きやすい高温プラズマを生成維持するには、強力な加熱が必要ですが、それ以上に重要な事は
プラズマの閉じ込めを良くすることです。高温のプラズマは、放っておくと、高温のプラズマから低温の容器へと熱が
伝わります（熱伝導）。熱がなるべ伝わらないようにプラズマを「閉じ込めること」、断熱するために磁場を用いるのが
磁場閉じ込め方式で、トマカク配位は、これまでもっとも優れた「閉じ込め性能」を示した方式です。しかしながら、
トカマクでも、高温では、種々の不安定性が発生し、乱流状態になり、熱伝導が大きくなり、閉じ込め性能が劣化します。
また、熱だけでなく、粒子も移動し、これらを「輸送」と呼び、乱流による大きな輸送（乱流輸送）を抑制することが、高
性能核融合エネルギーを実現する最大の課題となっています。
乱流と一口に言っても、様々なタイプ、現れ方がありますが、多くの場合、何らかの不安定性が最初に励起されます。
複数の異なる不安定性が誘発され、不安定性同士が非線形相互作用を通して、成長し、定常的な乱流を生成する
場合もあれば、成長した不安定性が磁場構造を部分的に破壊し、蓄えられた熱エネルギーを短時間に放出する場合も
あります。このようなイベントが断続的に起きる場合もあれば、放電を終了させてしまうような大きなイベントが起きる場
合もあります。球状トカマクで、もっとも特徴的な不安定性は内部磁気再結合イベント（IRE）と呼ばれるMHD不安定性で
す。下図は、TST-2における典型的なIREを示したもので、左に放電全体の時間波形、右側にイベント時の時間軸を拡
大したものを示しています。プラズマ電流（Ip）にスパイク状の増加（最上段）が見られるのが特徴ですが、イオン温度に
も急激な上昇（最下段）があるのが、TST-2で発見され、その後、他の球状トマカクでも確認されました。その後、ある
ケースこのにおける不安定性の原因の特定、数値シミュレーションによる再現が行われましたが、理解、再現できない
部分もあり、現在も研究が行われています。

乱れは大きく分けて磁気面とプラズマが一体となって動く変形と、磁力線を横切るプラズマの乱れに分類することができ、前者は比較的ゆっくりとした時間変化、大きな空間構造を持ち、後者は速い時間変動、短い空間距離での変化を示す。さらに、後者の空間構造は、磁力線に平行方向と垂直方向で大きく異なる。乱れの空間構造の一般的な表現方法は波数・周波数空間での表現であり、下左図のスペクトルでは、２種の波動状の構造があることが分かる。下右図は、磁力線上に配置した２つのプローブを用いて測定した、速い乱れのコーヒーレンスを示したもので、ゆっくりした磁場変動による位置の変化を補正し速い変動の構造を取り出して示している。

これらの研究を通して、どこでも誰でも使えるコンパクトな球状トカマク炉の実現を目指します