中心ソレノイド

中心ソレノイド（central solenoid, CS）は、トカマク型核融合装置の中心軸上に置かれる主磁場コイルであり、プラズマを生成・駆動するための誘導磁束（ボルト秒）を供給する変圧器の一次巻線として機能する。超伝導コイルとして構築される場合、その設計・製作・試験は核融合装置建設における最大の工学的課題の一つとされる。

トカマクにおける役割と機能

トカマクはプラズマを変圧器の二次回路とみなすことで電流を流す。中心ソレノイドに電流を急速に変化させると、その磁束がプラズマを貫いて起電力を生じ、プラズマの初期化（ブレークダウン）と電流駆動が行われる。運転中も、プラズマ電流を一定に保つためにソレノイド電流を徐々に減らし続ける必要があり、装置が長時間運転できるかどうかはソレノイドに蓄えられる磁束の総量（フラックススイング）に強く依存する。このため、定常運転を目指す装置では、電流駆動の負担を減らす観点からソレノイドの寸法や性能が装置全体の設計に影響する。例えば低アスペクト比のコンパクトなDEMO概念では、中心ソレノイドを小型化した設計が検討されており、ソレノイド構成の違いが装置サイズそのものに波及することが示されている。また、ソレノイドの磁場はプラズマの垂直安定性の維持やダイバータ領域の磁力線整形にも寄与しており、単なる電流駆動装置ではない。

図は、このコイル系の全体構成を示したものである。図には上部・下部のロードビームと圧力板、内側・外側の張力ロッド、Nb₃Sn内側モジュールとNbTiモジュールの積層、絶縁やバッファ領域が示されており、中心ソレノイドが単一のコイルではなく、垂直に積層された複数モジュールとそれを締結する予圧構造からなる一体物であることが分かる。

コイル設計と導体技術

中心ソレノイドは、装置内で最も高い磁場にさらされるコイルである。ITERでは最大磁場13 T、ではピーク磁場12 Tが設計目標とされており、この強磁場領域ではニオブチタン（NbTi）では不十分で、ニオブ三錫（）超伝導線が用いられる。導体はケーブルインコンジット導体（CICC）と呼ばれる方式で、多数の超伝導素線を撚り合わせたケーブルをのジャケットに収め、その中を超臨界が流して冷却する。この構造は大電流（ITERのモデルコイルでは46 kA）を運ぶと同時に、電磁力を支える機械強度と冷却安定性を両立する。