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（NBI）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ビームイオン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。

一方で、この単純な幾何は炉設計上の大きな利点をもたらす。真空容器が単連結で保守・アクセスが容易であること、トロイダル場コイルが不要でブランケットや第一壁の交換が容易なこと、閉じ込めを円筒ソレノイドコイルで賄えるため高磁場化が構造的に容易なこと、そして開磁場線に沿ったプラズマ流出を利用して、遠くの大型ダイバータ領域で排気・不純物制御ができる自然なダイバータ構造を持つことなどが挙げられる。プラズマは超音速で軸方向に並進しても磁気構造を保つ頑健性があり、激しい衝突・合体過程にも耐える。

生成法

FRCの最も標準的な生成法は磁場反転シータピンチ（FRTP）である。円筒形の石英管などに一様なバイアス磁場をかけた後、急速に逆方向の磁場を印加することで、プラズマ表面近くの磁束が反転し、反転層が軸方向に収縮してO点を持つ配位が自発的に形成される。こうして作られたFRCは形成直後にトロイダル方向へスピンアップし、並進中も回転を保つ。FRCは軸方向のガイド磁場勾配に沿って並進できるため、生成部で作ったFRCを別の閉じ込め領域へ運ぶ「並進・衝突・合体」による高磁束化が有力な手法となっている。

衝突合体法には大きく分けて二つの系統がある。一つはFAT-CM（Field-Reversed Configuration Amplification via Translational-Collisional Merging）に代表される軸方向合体で、反対方向に超音速／アルフヴェン速度で並進させた二つのFRCを中央で正面衝突させる。衝突時の急速な緩和・自己組織化により磁場反転が再構成され、イオン流が再配置され、運動エネルギーが熱と磁気エネルギーに変換されて高ベータ状態が得られる。もう一つは逆ヘリシティのスフェロマク二つを合体させる手法で、スフェロマクが持つトロイダル・ポロイダル両磁場成分の再結合を通じて高温のFRCを生成でき、偏平（oblate）なFRCを誘導的に作る方法も示されている。さらに、鏡場に対して垂直な軸に沿って二つのプラズモイドを対向入射させる直交合体という変法も提案されており、両軸端を生成装置に占有されずに済むため、ダイバータや直接エネルギー変換器など炉関連機器を軸端に置ける設計上の利点がある。この方式では、鏡場内で反転場のシグネチャ、反磁性から順磁性への回転遷移とその後のスピンアップが観測され、生成された高ベータ状態の存続時間は単純な鏡場の古典拡散時間を上回ることが示されている。

安定性と閉じ込め物理

FRCの最大の難所は、MHD理論の予測を上回る安定性の起源と、その閉じ込めスケーリングの解明である。理想MHDでは、ポロイダルモード数m=2の傾斜（tilt）モードなど大域的モードが不安定になるはずであるが、実験ではFRCはしばしばこれをはるかに超える安定性を示す。その鍵を担うのが、形成直後に自発的に生じる強いトロイダル回転である。イオンが反磁性方向にアルフヴェン速度程度まで回転すると、ジャイロ効果が傾斜モードの位相コヒーレンスを崩し、巨視的に安定な状態が保たれる。このジャイロ安定性は、FRCが並進や衝突合体に耐えられる理由でもある。

傾斜モードの抑制は、再結合時に生じるシアートロイダル流によっても達成される。逆ヘリシティスフェロマクの合体で生成される強いシア流は、低次のトロイダルモードのコヒーレンスを歪めて擾乱を抑制するが、この安定化は再結合駆動のシア流が減衰すると失われる。そこで、あらかじめ形成したFRCにスフェロマクを周期的に注入してヘリシティとエネルギーを補給し、内部のシア流を「更新」し続ける間欠注入という動的な制御戦略が提案されている。数値シミュレーションでは、この方法が傾斜抑制とイオン加熱の両面でFRC同士の合体よりも優れることが示されている。

閉じ込めについては、端部の開磁場線に沿った粒子損失が本質的な損失経路であり、エッジプラズマ（SOL／ハロ領域）の密度・温度・電位分布が閉じ込めに敏感に影響する。このため、各端のダイバータ内に設けたエッジバイアス電極による境界制御が性能向上の重要な要素となる。実際、高出力NBIとエッジバイアス制御を組み合わせた装置では、電子エネルギー閉じ込め時間が電子温度の正の冪で強くスケールすることが示されており、高温ほど閉じ込めが良くなるという好ましい傾向が報告されている。

加熱・維持と炉の展望

FRCの加熱と電流駆動は、前述の通り磁気ヘリシティが零であるため、接線入射の中性粒子線入射にほぼ限られる。NBIから入った高速イオンは、十分なポロイダル磁束を持つFRC内に捕捉されて閉じ込められ、そのエネルギーを背景プラズマに渡すことで加熱と電流駆動を同時に行う。大型装置では総入力10 MW超のNBIによって、巨視的に安定で高温のビーム駆動FRCが5 ms以上にわたり維持され、反磁性（ダイアマグネティズム）の寿命は11 msを超える記録が達成された。反磁性信号はNBI停止後も数ミリ秒持続し、蓄積された高速イオン集団が維持に寄与していることを示す。電力収支解析からは、平衡・輸送パラメータの大幅な改善が確認されている。

NBI以外の加熱法も研究されている。低周波磁気パルスによる加熱実験や、磁気圧縮による断熱加熱がその代表である。磁気圧縮では、外部コイル磁場を数十マイクロ秒の時間スケールで急速に上げることでFRCを半径方向・軸方向に圧縮し、温度と密度を上げる。一次元断熱理論は圧縮初期の温度・密度上昇をよく記述し、実験では圧縮により温度が約4倍に増大した例が報告されている。圧縮は短時間で高エネルギー密度状態を作る手段として、パルス運転の炉概念（段階的圧縮による小型炉など）の基盤となる。また、大容量のコンパクトトロイドをFRC内に注入する燃料供給法も検討されている。

炉の観点では、FRCは核融合出力密度がB²に比例するため、高ベータを活かして高磁場・小型化を図ることが経済性の鍵となる。線形構造ゆえにエネルギー抽出と不純物制御を開磁場線に沿った流出で行え、異常終了時のダメージも単純な幾何のために小さい。D-3Heのような先進燃料をNBI駆動FRCで扱う構想も提案されている。一方で、形成から燃焼までの安定性確保と、十分な核融合利得を得るための閉じ込めスケーリングの確立が、FRCが炉候補として成立するかを左右する最大の物理課題であり、これらを高ベータというFRC固有の特長を損なわずに達成できるかが今後の開発の焦点である。