The design study of PROTO-SPHERA, a novel compact torus configuration, has been completed. It is composed of a spherical torus (ST) (with closed flux surfaces) and a force-free screw pinch (SP) (with open flux surfaces and fed by electrodes). PROTO-SPHERA is formed at spherical-tokamak-like densities (∼1019 m−3) with low voltage (∼200 V) between the electrodes. The idea of replacing the metal centrepost current (Itf) of the spherical tokamaks with the SP plasma electrode current (Ie) is aimed mainly at getting rid of the rod at the centre of the plasma configuration, which is the most critical component of spherical tokamak design. As a consequence it should be possible to decrease the aspect ratio A = R/a (R = ST major radius, a = ST minor radius) in the course of experiment and to increase the ratio between the toroidal plasma current (IST) and the plasma electrode current, IST/Ie ≫ 1. Matching two plasma configurations, i.e. an open flux-surface SP and a closed flux-surface ST, brings to life several radically new issues. The purpose of this paper is to analyse the equilibrium, the ideal MHD stability and the formations and modelling issues of such a combined magnetic confinement system. The MULTI-PINCH experimental setup, which is being assembled inside the START vacuum vessel (now in Frascati), will represent the first phase of PROTO-SPHERA: its goal is to prove the feasibility of a stable disc-shaped SP around the electrodes.
PROTO-SPHERA（新規コンパクトトーラス配位）の設計研究が完了した。本配位は、球状トーラス（ST）（閉じた磁気面を有する）と、フォースフリー・スクリュー・ピンチ（SP）（開いた磁気面を有し、電極によって供給される）から構成される。PROTO-SPHERAは、球状トカマクと同様の密度（∼10¹⁹ m⁻³）で、低電圧（∼200 V）の電極間放電によって形成される。球状トカマクの金属製センターコラム電流（Itf）をSPプラズマ電極電流（Ie）で置き換えるというアイデアは、球状トカマク設計において最も重要な構成要素であるプラズマ中心部のロッドを排除することを主な目的としている。その結果、実験の過程でアスペクト比A = R/a（R = ST大半径、a = ST小半径）を減少させ、トロイダルプラズマ電流（IST）と電極電流の比IST/Ie ≫ 1を増加させることが可能となるはずである。開いた磁気面を有するSPと閉じた磁気面を有するSTという2つのプラズマ配位を整合させることは、いくつかの根本的に新しい課題を生み出す。本論文の目的は、この複合磁気閉じ込めシステムの平衡、理想MHD安定性、および形成・モデリングの課題を分析することである。現在START真空容器内（フラスカーティ）で組み立て中のMULTI-PINCH実験装置は、PROTO-SPHERAの第一段階を構成するものであり、その目標は電極周囲に安定な円盤状SPを実証することである。