高閉じ込めモード

プラズマ物理学と磁気閉じ込め核融合において、高閉じ込めモード（Hモード）は、トカマクなどのトロイダルプラズマにおける閉じ込めが強化された現象および動作モードです。印加加熱電力がある閾値を超えて上昇すると、プラズマは低閉じ込めモード（Lモード）からHモードに移行し、エネルギー閉じ込め時間が約2倍になります。Hモードは、 1982年にASDEXでの中性粒子ビーム加熱実験中にフリードリヒ・ワグナーとチームによって発見されました。^{[1]それ以来、すべての主要なトロイダル閉じ込め装置で再現されており、} ITERの標準動作シナリオになると予想されています。

H モードでは、閉じ込めの変化はプラズマのエッジで最も顕著になります。エッジ密度の増加により圧力勾配が急激に増加し、プラズマパラメータの半径方向プロファイルに台座のような構造が形成されます。また、エッジ局在モード (ELM)と呼ばれる磁気流体不安定性の一種も特徴とします。これは、粒子と熱流束の周期的なバーストとして現れ、プラズマに面したコンポーネントの過熱を引き起こす可能性があります。

H モードの物理的起源は現時点では不明です。閉じ込めの改善は、プラズマの端での乱流が大幅に減少したことに関係していると考えられています。考えられる説明としては、プラズマの端での乱流輸送を抑制する流れのせん断の増加が関係しています。

核融合三重積から、核融合燃料の温度とエネルギー閉じ込め時間は、核融合点火に十分な高さでなければならないことが分かっています。しかし、エネルギー閉じ込め時間は印加電力に反比例することが分かっています。Hモードが発見される前は、すべてのトカマクは現在Lモードと呼ばれているモードで動作していました。Lモードは比較的大きな乱流を特徴とし、これにより閉じ込められたプラズマからエネルギーが逃げ出します。トカマクLモードのエネルギー閉じ込め時間は、ITER89-Pのスケーリング式によって経験的に与えられます。^[2]${\displaystyle \tau_{E}}$

${\displaystyle \tau_{E}^{\text{ITER89-P}}=0.038M^{0.5}I_{\text{P}}^{0.85}R^{1.5}\epsilon^{0.3}\kappa^{0.5}n^{0.1}B^{0.2}P^{-0.5}}$

どこ

• ${\displaystyle M}$水素同位体の質量数
• ${\displaystyle I_{\text{P}}}$プラズマ電流は${\displaystyle {\text{MA}}}$
• ${\displaystyle R}$は、${\displaystyle {\text{m}}}$
• ${\displaystyle \epsilon }$逆アスペクト比です
• ${\displaystyle \kappa}$プラズマの伸長は
• ${\displaystyle n}$は、線平均プラズマ密度である。${\displaystyle 10^{19}{\text{m}}^{-3}}$
• ${\displaystyle B}$トロイダル磁場は${\displaystyle {\text{T}}}$
• ${\displaystyle P}$総加熱電力は${\displaystyle {\text{MW}}}$

1982年にASDEXトカマクで、適用される加熱電力が一定の閾値を超えると、プラズマは自発的に高閉じ込め状態に遷移し、エネルギー閉じ込め時間が約2倍になるが、^[1]加熱電力に反比例する傾向があることが発見されました。この改善された閉じ込めモードはHモードと呼ばれ、以前の低閉じ込め状態はLモードと呼ばれていました。

Hモードは、その改善された閉じ込め特性により、将来のほとんどのトカマク型原子炉設計において望ましい動作モードになりました。ITERの物理的基礎は、経験的なELMy Hモードエネルギー閉じ込め時間スケーリングに依存しています。 ^[3] IPB98(y,2)と呼ばれるそのようなスケーリングの1つは、次のようになります 。

${\displaystyle \tau_{E}^{\text{IPB98(y,2)}}=0.0562M^{0.19}I_{\text{P}}^{0.93}R^{1.97}\epsilon^{0.58}\kappa^{0.78}n^{0.41}B^{0.15}P^{-0.69}}$