磁場反転配位

磁場反転配位（Field-Reversed Configuration、FRC）は、プラズマ自身のトロイダル電流が作るポロイダル磁場だけで閉じた磁面を形成する、軸対称のコンパクトトーラス配位である。外部のトロイダル磁場コイルを一切必要とせず、プラズマ圧力と磁場圧力がほぼ釣り合う高ベータ（体積平均ベータがほぼ1）の閉じた閉じ込め領域が、鏡場のような開磁場構造の中に浮かぶ単連結の配位となる。この単純な線形幾何と高ベータ性質により、小型で経済的な核融合炉の候補として長く研究されてきた。FRCの磁場構造の概要を図に示す。図には分離面（separatrix）、磁気ミラー、O点、X点、トロイダル電流jの向きが描かれており、イオンは反磁性方向の強いトロイダル流（アルフヴェン速度に達する）を持つ。

磁気平衡と幾何形状

FRCの断面は、軸上で磁場が反転するO点を中心とする楕円体状の閉磁場領域と、それを囲む分離面、さらに外側の鏡型開磁場領域からなる。分離面半径 r_s と壁（コイル）内半径 r_w が基本的な長さスケールであり、体積平均ベータは ⟨β⟩ = 1 − (1/2)(r_s/r_w)² と定義され、典型的なFRCではほぼ1に達する。つまりプラズマの圧力が自らの反磁性によって磁場をほぼ完全に押し退けた状態であり、同じ磁場強度なら単位体積あたりの核融合出力密度がB²に比例して最大化される高エネルギー密度配位である。

理想MHD平衡では圧力勾配、ポロイダル磁束、トロイダル電流が互いに釣り合う。FRCにはトロイダル磁場成分がなく、プラズマ電流は純粋にトロイダル方向を向くため、磁気ヘリシティ（一般化ヘリシティを含めて）が厳密には零という特異な性質を持つ。このため、ヘリシティ注入を前提とする多くの電流駆動法が使えず、加熱・電流駆動は本質的に接線入射の中性粒子線入射（）に限られるという制約が、FRC開発の中心的課題の一つとなっている。ポロイダル磁束を増やして高速を捕捉できるだけの閉じた領域を確保することが、現段階で最も重要な開発課題とされる。