Stellarators and tokamaks are the most advanced devices that have beendeveloped for magnetic fusion applications. The two approaches have much incommon; tokamaks have received the most attention because their axisymmetryjustifies the use of simpler models and provides a more forgiving geometry. However, recent advances in treating more complicated three dimensional systems have made it possible to design stellarators that are not susceptible to disruptions and do not need plasma current control. This has excited interest recently. The two largest new magnetic experiments in the world are the LHD device, which commenced operation in Toki, Japan, in 1998 and W7-X, which should become operational in Greifswald, Germany, in 2004. Other recently commissioned stellarators, including H-1 in Canberra, Australia, TJ-II in Madrid, Spain, and IMS in Madison, Wisconsin, have joined these in rejuvenating the stellarator programme. Thus, it is most appropriate that the author has made the lecture material that he presents to his students in the Graduate School of Energy Science at Kyoto University available to everyone.Stellarator and Heliotron Devices provides an excellent treatment ofstellarator theory. It is aimed at graduate students who have a goodunderstanding of classical mechanics and mathematical techniques. It containsgood descriptions and derivations of essentially every aspect of fusion theory. The author provides an excellent qualitative introduction to each subject,pointing out the strengths and weaknesses of the models that are being used and describing our present understanding. He judiciously uses simple models which illustrate the similarities and differences between stellarators andtokamaks. To some extent the treatment is uneven, rigorous derivations starting with basic principles being given in some cases and relations and equations taken from the original papers being used as a starting point in others. This technique provides an excellent training ground for students without detracting from the usefulness of the book for knowledgeable fusion physicists.After a short, somewhat historical, introduction, Chapter 2 contains a good treatment of the basic properties of a toroidal magnetic configuration (the concepts of magnetic surfaces, rotational transform, shear and magnetic wells), averaging techniques which can often be used to simplify the calculations, helically invariant configurations, magnetic islands and line tracing techniques. Derivations and discussions of the basic tools of plasma theory, including the Vlasov equation, magnetohydrodynamic equations and their reduced form for low-β, large aspect ratio systems, properties of MHD waves, the drift kinetic equation and transport equations, are given in Chapter 3. Chapter 4 contains a good treatment of MHD equilibria, including a derivation of the three dimensional Grad-Shafranov equation, a discussion of the calculation of equilibria with a planar magnetic axis with both averaged equations and a variational approach, a comparison of the results of the two techniques, a formulation for stellarators with a helical magnetic axis and a good discussion of the Pfirsch-Schlüter current. The treatment of MHD instabilities in Chapter 5 is also excellent. It starts with a good derivation and discussion of the energy principle, gives a detailed treatment of ballooning modes where the wavelengths of the perturbation perpendicular to the field are short while those along B are long and derives the Mercier criterion from the ballooning mode equation. I personally prefer to obtain this criterion by making the low mode number assumption that dξ/dΨ>>dξ/dθ ≈ dξ/dζ, since non-ideal effects such as finite gyration radius corrections may provide less stabilization to these modes. A careful treatment of the resistive interchange mode is followed by a discussion of the role of localized stability criteria in the analysis of experiment and design studies, a study of Pfirsch-Schlüter current driven magnetic islands and the interpretation of sawtooth instabilities in Heliotron E. The treatment of particle orbits in Chapter 6 includes a derivation of drift equations, a discussion of the characteristics of trapped particle confinement in a heliotron and one of the Monte Carlo method for studying transport phenomena. A good treatment of neoclassical transport in a stellarator, with emphasis on the relation between parallel viscosity driven fluxes and bootstrap current, is given in Chapter 7. This is the best treatment I have found, outside of the original references, but it is still demanding. In addition, a radial electric field is introduced into the energy transport equations. The treatment of heating and confinement of heliotron plasmas in Chapter 8 is a good combination of providing results from experiments on the Heliotron E and DR heliotrons and the ATF and CHS stellarators and showing how theoretical interpretation is formulated. The discussions of ray tracing and energy absorption for both ECRH and ICRF heating techniques, as well as a treatment of neutral beam injection, are very clear. Measurements of bootstrap current and plasma rotation, as well as the density limits associated with pellet injection, are discussed. The chapter ends with a discussion of what may be the author's favourite topic, pressure gradient driven turbulence, in which he describes mixing length and scale invariance techniques. Finally, a discussion of the characteristics of a steady state fusion reactor, including a treatment of the containment, slowing down and energy transfer of the alpha particles, one of the toroidal Alfvén modes driven by these particles and some physics of divertors are given in Chapter 9.A reviewer is usually expected to find some faults. I had no problem in finding one as soon as I received the book: indeed, I did not like its title. I have always maintained that Lyman Spitzer defined a stellarator as any toroidal device in which the rotational transform is generated by coils outside the plasma, either through imposition of a helical magnetic axis as in a figure-8 stellarator or a heliac, or through the generation of helical magnetic fields, as in a classical stellarator, a torsatron or a quasi-helical stellarator such as W7-X. The author notes that the heliotron (as it was invented by Uo in Japan) is the same as the torsatron (first proposed by Gourdon and his colleagues in Europe) in his introduction, but cannot bring himself to ignore Uo's desire to maintain a distinction between stellarators and heliotrons. Enough typographical errors are present to make one have to be careful before relying on the book for specific formulas. Nevertheless, it will prove to be a useful reference.I have always respected the author for the quality of students he produces. He provides a list of some of them in the preface, which justifies this opinion. These students are a good demonstration of the usefulness of this book.
ステラレーターとトカマクは、磁場閉じ込め核融合応用のために開発された最も先進的な装置である。この2つのアプローチには多くの共通点がある。トカマクは、その軸対称性により単純なモデルの使用が正当化され、より許容性の高い幾何学的形状を提供するため、最も多くの注目を集めてきた。しかしながら、より複雑な三次元系を扱う最近の進歩により、ディスラプションを受けにくく、プラズマ電流制御を必要としないステラレーターを設計することが可能になった。これにより、近年大きな関心が集まっている。世界で最も新しい2つの大型磁場閉じ込め実験装置は、1998年に日本の土岐で運転を開始したLHDと、ドイツのグライフスヴァルトで運転開始予定のW7-Xである。オーストラリアのキャンベラにあるH-1、スペインのマドリードにあるTJ-II、米国のマディソンにあるIMSなど、最近運転を開始した他のステラレーターも、ステラレータープログラムの活性化に加わっている。したがって、著者が京都大学大学院エネルギー科学研究科で学生に提示している講義資料を、すべての人が利用できるようにしたことは、極めて時宜にかなったものである。『Stellarator and Heliotron Devices』は、ステラレーター理論の優れた解説書である。これは、古典力学と数学的手法の十分な理解を持つ大学院生を対象としている。核融合理論の実質的にあらゆる側面について、優れた記述と導出を含んでいる。著者は各主題について優れた定性的入門を提供し、使用されているモデルの長所と短所を指摘し、現在の理解を述べている。彼は、ステラレーターとトカマクの類似点と相違点を説明する単純なモデルを適切に用いている。ある程度、記述は不均一であり、基本原理から始まる厳密な導出がなされる場合もあれば、原著論文から取られた関係式や方程式が出発点として用いられる場合もある。この手法は、知識のある核融合物理学者にとっての本書の有用性を損なうことなく、学生にとって優れた訓練の場を提供している。短い、やや歴史的な序論の後、第2章ではトロイダル磁場配位の基本特性（磁気面、回転変換、シアー、磁気井戸の概念）、計算を簡略化するためにしばしば用いられる平均化手法、ヘリカル不変性、磁気島、磁力線追跡手法について優れた解説がなされている。第3章では、プラズマ理論の基本ツールの導出と解説がなされており、ブラゾフ方程式、磁気流体力学方程式とその低β・大アスペクト比系に対する簡約形式、MHD波動の性質、ドリフト運動論方程式、輸送方程式が含まれる。第4章では、MHD平衡の優れた解説がなされており、三次元グラード・シャフラノフ方程式の導出、平均化方程式と変分法の両方による平面磁気軸を持つ平衡の計算の議論、2つの手法の結果の比較、ヘリカル磁気軸を持つステラレーターの定式化、およびプフィルシュ・シュリューター電流の優れた解説が含まれる。第5章では、MHD不安定性の扱いも優れている。エネルギー原理の優れた導出と解説から始まり、磁場に垂直な摂動の波長が短く、Bに沿った波長が長いバルーニングモードの詳細な扱い、そしてバルーニングモード方程式からメルシエ判定基準の導出がなされる。私は個人的には、dξ/dΨ>>dξ/dθ ≈ dξ/dζとなる低モード数近似を用いてこの判定基準を得ることを好む。なぜなら、有限ラーモア半径補正などの非理想効果は、これらのモードに対してより少ない安定化をもたらす可能性があるからである。抵抗性交換モードの注意深い扱いに続いて、実験および設計研究の解析における局所安定性判定基準の役割の議論、プフィルシュ・シュリューター電流駆動磁気島の研究、ヘリオトロンEにおけるサーソー不安定性の解釈がなされる。第6章の粒子軌道の扱いには、ドリフト方程式の導出、ヘリオトロンにおける捕捉粒子閉じ込めの特性の議論、および輸送現象を研究するためのモンテカルロ法の解説が含まれる。第7章では、ステラレーターにおける新古典輸送の優れた解説がなされており、平行粘性駆動フラックスとブートストラップ電流の関係に重点が置かれている。これは、原著論文以外では私が見つけた中で最良の解説であるが、それでも要求水準は高い。さらに、動径電場がエネルギー輸送方程式に導入されている。第8章のヘリオトロンプラズマの加熱と閉じ込めの扱いは、ヘリオトロンEおよびDRヘリオトロンとATFおよびCHSステラレーターにおける実験結果を提供し、理論的解釈がどのように定式化されるかを示すという、優れた組み合わせである。ECRHおよびICRF加熱の両方に対する光線追跡とエネルギー吸収の議論、ならびに中性粒子ビーム入射の扱いは、非常に明快である。ブートストラップ電流とプラズマ回転の測定、およびペレット入射に関連する密度限界が議論されている。この章は、著者が最も好むと思われる主題、すなわち圧力勾配駆動乱流の議論で締めくくられており、その中で混合長理論とスケール不変性の手法が述べられている。最後に、第9章では、定常核融合炉の特性の議論がなされており、アルファ粒子の閉じ込め、減速、エネルギー伝達の扱い、これらの粒子によって駆動されるトロイダルアルフヴェンモードの1つ、およびダイバータの物理のいくつかが含まれる。査読者は通常、いくつかの欠点を見つけることが期待される。私は本書を受け取ったとき、すぐに1つ見つけることに問題はなかった。実際、私はその題名が好きではなかった。私は常に、ライマン・スピッツァーがステラレーターを、プラズマの外部のコイルによって回転変換が生成される任意のトロイダル装置と定義したことを支持してきた。その際、8の字型ステラレーターやヘリアックのようにヘリカル磁気軸を課すか、あるいは古典的ステラレーター、トルサトロン、W7-Xのような準ヘリカルステラレーターのようにヘリカル磁場の生成によるものである。著者は序文で、ヘリオトロン（日本で宇尾によって発明された）はトルサトロン（ヨーロッパでグルドンとその同僚によって最初に提案された）と同じものであると述べているが、ステラレーターとヘリオトロンの区別を維持したいという宇尾の希望を無視することはできない。特定の公式を本書に依存する前に注意を要するほど、かなりの数の誤植が存在する。それにもかかわらず、本書は有用な参考書となるであろう。私は、著者が育てた学生の質に対して常に敬意を抱いてきた。彼は序文でその一部のリストを提供しており、それがこの見解を正当化している。これらの学生は、本書の有用性の良い実証である。