プラズマの安定性

プラズマ物理学において、プラズマの安定性は、平衡状態にあるプラズマの安定性特性と、小さな摂動に対するその挙動に関係します。システムの安定性によって、摂動が大きくなるか、振動するか、あるいは減衰するかが決まります。これは、核融合や天体プラズマなどのトピックにおいて重要な考慮事項です。

多くの場合、プラズマは流体として扱われ、磁気流体力学(MHD) の理論で分析できます。MHD の安定性は、磁気閉じ込め核融合装置の安定した動作に必要であり、一定の動作制限を課します。たとえば、ベータ制限は、トカマクで達成可能な最大のプラズマベータを設定します。

一方、ドリフト波不安定性などの小規模プラズマ不安定性（通常は運動論で説明される）は、トカマク内の乱流輸送の駆動メカニズムであると考えられており、閉じ込め磁場を横切る粒子とエネルギーの高速度輸送につながります。運動論で説明されるプラズマ不安定性には、有限ラーモア半径（FLR）効果や共鳴波動粒子相互作用などの側面が含まれる可能性があり、これはMHDなどの流体モデルでは捉えられません。

プラズマ不安定性は、一般的に 2 つのグループに分けられます。

1. 流体力学的不安定性
2. 運動学的不安定性。

プラズマ不安定性は、異なるモードに分類される（例えば、粒子ビームを参照）：^{[1] [2]}

ベータはプラズマ圧力と磁場強度の比である。^[33] $${\displaystyle \beta ={\frac {p}{p_{\text{mag}}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}}$$

高ベータでの MHD 安定性は、コンパクトでコスト効率の高い磁気核融合炉にとって極めて重要です。核融合出力密度は、磁場が一定である場合、または外部駆動プラズマ電流の構成でブートストラップ率が一定である場合とほぼ同じように変化します (正規化されたベータはここにあります)。多くの場合、MHD 安定性はベータ、ひいては核融合出力密度に対する主な制限を表します。MHD 安定性は、特定の磁気構成の作成と維持、エネルギーの閉じ込め、および定常状態の動作の問題とも密接に関係しています。重要な問題には、さまざまなプラズマ構成の使用による安定性の限界の理解と拡張、およびそれらの限界付近での信頼性の高い動作のための能動的な手段の開発が含まれます。正確な予測機能が必要であり、そのためには既存の MHD モデルに新しい物理を追加する必要があります。さまざまな磁気構成が存在しますが、基礎となる MHD 物理はすべてに共通です。1 つの構成で得られた MHD 安定性の理解は、解析理論の検証、予測 MHD 安定性コードのベンチマークの提供、および能動的な制御技術の開発の促進によって、他の構成にも役立ちます。 ${\displaystyle \beta ^{2}}$${\displaystyle \beta _{N}^{4}}$${\displaystyle \beta _{N}=\beta /(I/aB)}$

磁気核融合の最も基本的かつ重大な安定性の問題は、MHD 不安定性が高ベータでの性能を制限することが多いという点です。ほとんどの場合、重要な不安定性は長波長のグローバル モードです。これは、エネルギー閉じ込めの重大な劣化やプラズマの終了を引き起こす可能性があるためです。多くの磁気構成に共通する重要な例としては、理想的なキンク モード、抵抗壁モード、新古典的ティアリング モードなどがあります。安定性の境界を侵害すると、放電の終了に続く熱エネルギーの突然の損失である中断が発生する可能性があります。したがって、重要な問題には、関連する熱応力や磁気応力など、さまざまな構成でのベータ限界の性質を理解し、限界を回避または影響を軽減する方法を見つけることが含まれます。このような不安定性を防ぐためのさまざまなアプローチが調査されており、プラズマとその閉じ込め装置の配置の最適化、プラズマの内部構造の制御、MHD 不安定性のアクティブ制御などが含まれます。

電流または圧力勾配によって駆動される理想的な MHD 不安定性は、ほとんどの構成における最終的な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、原理的には回避できます。

中間波長モード (たとえば、トカマクのエッジプラズマで発生する n 約 5～10 モード) は、安定性の計算が集中的に行われるため、あまりよく理解されていません。トカマクの広範なベータ限界データベースは、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た場合、ベータの約 10% 以内の一致が得られます。この良好な一致により、他の構成の理想的な安定性の計算やプロトタイプの核融合炉の設計に信頼性がもたらされます。

抵抗壁モード (RWM) は、安定性のために完全導電性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、多くの磁気構成にとって重要な問題です。トカマク、ステラレータ、およびその他の構成では、近くに壁がなくても中程度のベータ値が可能ですが、近くに導電性壁があると、トカマク、ST、逆転磁場ピンチ(RFP)、スフェロマク、場合によっては 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。先進のトカマクと ST では、大きなブートストラップ率で動作するために壁の安定化が重要です。スフェロマクでは、低 m、n のティルトおよびシフト モード、および場合によってはベンディング モードを回避するために壁の安定化が必要です。ただし、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 の長年の課題であり、最近ではトカマクの実験で観察されています。 RWM の物理を理解し、それを安定化する手段を開発する進歩は、すべての磁気構成に直接適用できる可能性があります。密接に関連する問題は、プラズマの回転、その発生源とシンク、および RWM の安定化におけるその役割を理解することです。

抵抗性不安定性は、理想的な限界をはるかに下回るベータ値で発現する可能性があるため、すべての磁気構成で問題となる。新古典的ティアリング モード (NTM) の安定性は、強いブートストラップ電流を伴う磁気構成にとって重要な問題である。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る。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、閉じ込めの低下や破壊につながっている。基本的なメカニズムは十分に確立されているが、現在および将来のデバイスで発現を予測するには、しきい値アイランド サイズを決定する減衰メカニズムと、その他の不安定性 (トカマクの鋸歯状波など) がシード アイランドを生成するモード結合をより深く理解する必要がある。抵抗性バルーニング モードは、理想的なバルーニングに似ているが、有限の抵抗率が考慮されており、抵抗性不安定性の別の例である。

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を表しています。理想的な MHD 安定性のための放電成形と低アスペクト比の利点は、トカマクと ST で明確に実証されており、DIII-D、Alcator C-Mod、NSTX、および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、適切に設計されたヘリカル コイルを追加すると、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テストし、バルーニング安定性の低ベータ テストは HSX で可能です。新しい ST 実験は、低アスペクト比により、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、新古典モードを含むティアリング モードの安定性が向上するという予測をテストする機会を提供します。新古典的ティアリング モードは、準ヘリカルおよび準全性ステラレータ構成でブートストラップ電流を最小化することで回避できます。新古典的ティアリング モードは、ブートストラップ電流と磁気シアーの相対的な符号が適切であれば安定化されます。この予測は、トカマクの中心負シアー領域に NTM が存在しないことで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の NCSX などのステラレータ構成は、負の磁気シアーと正のブートストラップ電流を使用して作成し、NTM の安定性を実現できます。抵抗壁によるキンク モードの安定化は、RFP と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、さらに評価する必要があります。

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。たとえば、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するのに役立ちます。外部加熱源と電流駆動源による圧力と電流密度プロファイルのオープン ループ最適化は、多くのデバイス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局所加熱源と電流駆動源に加えて、改善された診断測定により、近い将来、内部プロファイルのアクティブ フィードバック制御が可能になります。このような作業は、RF加熱と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分析と、安定境界のリアルタイム識別は、プロファイル制御の重要な要素です。トカマク実験で実証されているように、強力なプラズマ回転は抵抗壁モードを安定化することができ、回転せん断も抵抗モードを安定化すると予測されています。これらの予測をテストする機会は、大きな自然反磁性回転を持つ ST、スフェロマック、FRC などの構成や、中性ビームの注入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、理想的な安定性も影響を受ける可能性があるアルヴェーン領域に近づく、非常に大きな駆動回転を持つことが意図されています。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 の可能性のある役割は、これらの実験で調査できる重要な問題です。

MHD不安定性の能動フィードバック制御により、「受動」安定限界を超えた動作が可能になる。有理面における局所的なRF電流駆動により、新古典的ティアリングモードアイランドが低減または除去されると予測される。実験はASDEX-UとCOMPASS-Dで開始され有望な結果が得られており、来年^{[説明が必要]}にDIII-Dで計画されている。このような技術を一般化されたプラズマ条件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る。抵抗壁モードを安定化するために必要なプラズマの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る。フィードバック実験はDIII-DとHBT-EPで開始されており、RFPおよびその他の構成についてフィードバック制御を調査する必要がある。これらの能動制御技術の物理的理解は、構成間で直接適用できる。

上で述べた MHD 安定性向上のための技術は、ディスラプションを回避する主な手段です。ただし、これらの技術で不安定性を防ぐことができない場合は、さまざまな技術でディスラプションの影響を軽減できます。JT-60U の実験では、垂直安定性のために中性点で動作することで電磁応力が軽減されることが実証されています。トカマク実験では、大きなガス パフまたは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、および DIII-D で進行中の実験により、理解と予測能力が向上します。ヘリウムの極低温液体ジェットは、提案されている別の技術で、より大型の装置に必要になる場合があります。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。

• 人名にちなんで名付けられた流体力学的不安定性のリスト