AbstractAlthough high field is very favorable for magnetically confined fusion devices such as Tokamaks, electromagnetic forces derived from the field become serious. In particular, the large in-plane centering force hinders toroidal field coils from operating at higher fields. Instead of toroidal field coils, force-balanced coils (FBCs), by which this force is drastically reduced, are proposed for the coil system of a Tokamak. FBC can also provide enough poloidal flux for plasma breakdown and current induction during the ramp-up phase of the coil current. In this paper, how to design the FBC for Tokamaks is discussed. FBCs of ITER-EDA size were designed and compared with conventional toroidal field coil systems in terms of the electromagnetic force and the poloidal field in the vacuum vessel. The construction of a small Tokamak with FBCs, for the demonstration of Tokamak plasma confinement, was completed and plasmas have been generated in it.
トカマクのような磁気閉じ込め核融合装置にとって高磁場は非常に有利であるが、その磁場から生じる電磁力は深刻な問題となる。特に、大きな面内中心力は、トロイダル磁場コイルの高磁場運転を妨げる。トロイダル磁場コイルの代わりに、この力を大幅に低減できる力平衡コイル（FBC）が、トカマクのコイルシステムとして提案されている。FBCはまた、コイル電流の立ち上げ段階において、プラズマ破壊と電流誘導に十分なポロイダル磁束を供給することができる。本論文では、トカマク用FBCの設計方法について論じる。ITER規模のFBCを設計し、電磁力と真空容器内のポロイダル磁場の観点から、従来のトロイダル磁場コイルシステムと比較した。さらに、トカマクプラズマ閉じ込めの実証を目的とした小型トカマクをFBCを用いて建設し、その中でプラズマを生成することに成功した。