血漿安定性

電流勾配または圧力勾配によって引き起こされる理想MHD不安定性は、ほとんどの構成における究極の動作限界を表します。長波長キンクモードと短波長バルーニングモードの限界は一般的によく理解されており、原理的には回避可能です。

中間波長モード（例えば、トカマクのエッジプラズマで発生するn～5 ～ 10モード）は、安定性計算の計算負荷が高いため、十分に理解されていません。トカマクのベータ限界に関する広範なデータベースは、理想的なMHD安定性限界と一致しており、プラズマの内部プロファイルが正確に測定されている場合、ベータ値で約10%以内の一致が得られます。この良好な一致は、他の構成における理想的な安定性計算や、プロトタイプ核融合炉の設計に対する信頼性を高めます。

抵抗壁モード（RWM）は、安定性のために完全導体壁の存在を必要とするプラズマで発生します。RWMの安定性は、多くの磁場構成にとって重要な問題です。トカマク、ステラレータ、その他の構成では、近くに壁がなくても中程度のベータ値が可能ですが、近くに導体壁があると、トカマク、ST、逆磁場ピンチ（RFP）、スフェロマック、そしておそらくFRCを含むほとんどの構成で理想的なキンクモードの安定性が大幅に向上します。先進トカマクとSTでは、大きなブートストラップ分率での運転には壁の安定化が不可欠です。スフェロマックでは、低m、nの傾斜およびシフトモード、そしておそらく曲げモードを回避するために壁の安定化が必要です。しかし、非理想的な壁が存在すると、ゆっくりと成長するRWMは不安定になります。抵抗壁モードはRFPにとって長年の問題であり、最近ではトカマク実験でも観測されています。 RWMの物理現象の理解と安定化手段の開発における進歩は、あらゆる磁場構成に直接応用できる可能性がある。これと密接に関連する課題は、プラズマ回転、その発生源と消失源、そしてRWMの安定化におけるその役割を理解することである。

抵抗不安定性は、理想的な限界をはるかに下回るベータ値で発生する可能性があるため、すべての磁場構成で問題となります。強いブートストラップ電流を持つ磁場構成では、新古典的ティアリングモード（NTM）の安定性が重要な問題となります。NTMは準安定モードであり、特定のプラズマ構成では、「シードアイランド」によって生成されるブートストラップ電流の十分に大きな変形がアイランドの成長に寄与する可能性があります。NTMはすでに多くのトカマク実験で重要な性能制限要因となっており、閉じ込めの劣化や破壊につながっています。基本的なメカニズムは十分に確立されていますが、現在および将来の装置での発生を予測するには、閾値アイランドサイズを決定する減衰メカニズムと、他の不安定性（トカマクの鋸歯など）がシードアイランドを生成するモード結合についてより深く理解する必要があります。抵抗バルーニングモードは、理想的なバルーニングに似ていますが、有限の抵抗率が考慮されており、抵抗不安定性のもう1つの例です。

プラズマとその閉じ込め装置の構成は、MHD安定性を堅牢な方法で改善する機会となります。放電形状の最適化と低アスペクト比による理想的なMHD安定性の利点は、トカマクやSTで明確に実証されており、DIII-D、Alcator C-Mod、NSTX、MASTなどの実験で引き続き調査されます。NCSX （提案中）などの新しいステラレータ実験では、適切に設計されたらせんコイルを追加することで、高ベータで理想的なキンクモードを安定化できるという予測を検証し、HSXでは低ベータでのバルーニング安定性のテストが可能です。新しいST実験では、大きなPfirsch-Schlüter電流に関連する大きな安定化「Glasser効果」項を通じて、低アスペクト比が新古典モードを含むティアリングモードの安定性を向上させるという予測を検証する機会が得られます。準らせん型および準全方位型のステラレータ構成では、ブートストラップ電流を最小化することで、新古典的ティアリングモードを回避できます。また、ブートストラップ電流と磁気シアの適切な相対符号によっても新古典的ティアリングモードは安定化されます。この予測は、トカマクの中心負シア領域にNTMが存在しないことによって裏付けられています。提案されている準軸対称ステラレータ設計であるNCSXなどのステラレータ構成は、負の磁気シアと正のブートストラップ電流によってNTMの安定性を達成できます。抵抗壁によるキンクモードの安定化は、RFPおよびトカマクで実証されており、ST（NSTX）やスフェロマク（SSPX）などの他の構成でも調査される予定です。流動する液体リチウム壁によって抵抗壁モードを安定化するという新しい提案は、さらなる評価が必要です。

プラズマの内部構造を制御することで、MHD不安定性をより積極的に回避できます。例えば、適切な電流密度プロファイルを維持することで、ティアリングモードに対する安定性を維持できます。外部加熱および電流駆動源を用いた圧力および電流密度プロファイルのオープンループ最適化は、多くの装置で日常的に使用されています。現在利用可能になりつつある、改良された診断測定と局所的な加熱および電流駆動源により、近い将来、内部プロファイルの能動的なフィードバック制御が可能になります。このような研究は、RF加熱および電流駆動を使用するほとんどの大型トカマク（ JET、JT - 60U、DIII - D、C - Mod、およびASDEX - U）で開始または計画されています。MSE電流プロファイル測定などのプロファイルデータのリアルタイム解析と、安定性境界のリアルタイム識別は、プロファイル制御の重要な構成要素です。トカマク実験で実証されているように、強いプラズマ回転は抵抗壁モードを安定化させることができ、回転せん断も抵抗モードを安定化させると予測されています。これらの予測を検証する機会は、大きな自然反磁性回転を持つST、スフェロマック、FRCなどの構成、および中性粒子ビーム入射によって回転が駆動されるトカマクによって提供されます。電気トカマク実験は、アルフベン領域に近づくほどの非常に大きな駆動回転を実現することを目的としており、そこでは理想的な安定性も影響を受ける可能性があります。十分なプラズマ回転を維持すること、および回転を減衰させるRWMの役割の可能性は、これらの実験で調査できる重要な課題です。

MHD不安定性の能動フィードバック制御により、「受動」安定限界を超えた運転が可能になるはずです。有理面における局所的なRF電流駆動は、新古典的ティアリングモードアイランドを低減または除去すると予測されています。ASDEX - UおよびCOMPASS-Dで有望な結果が得られた実験が開始されており、来年にはDIII - Dでの実験が計画されています。このような技術を一般的なプラズマ条件下で日常的に使用するには、不安定モードとその半径方向の位置をリアルタイムで特定する必要があります。抵抗壁モードを安定化するために必要なプラズマ回転を維持できない場合は、外部コイルによるフィードバック安定化が必要になります。フィードバック実験はDIII - DおよびHBT-EPで開始されており、RFPおよびその他の構成についてもフィードバック制御を検討する必要があります。これらの能動制御技術の物理的理解は、構成間で直接適用可能です。

上記で説明したMHD安定性向上技術は、ディスラプションを回避するための主要な手段です。しかし、これらの技術で不安定性を防げない場合でも、ディスラプションの影響は様々な技術で緩和できます。JT - 60Uでの実験では、垂直安定性を確保するために中性点で運転することで電磁応力を低減できることが実証されています。トカマク実験では、大量のガス噴射や不純物ペレットの注入によるプラズマエネルギーの事前除去が実証されており、C - Mod、JT - 60U、ASDEX - U、DIII - Dで進行中の実験によって、理解と予測能力が向上するでしょう。ヘリウムの極低温液体ジェットも提案されている技術の一つで、より大型の装置では必要となる可能性があります。トカマク用に開発された緩和技術は、他の構成にも直接適用できます。