ヘリカル装置

ヘリカル装置とは、トーラス状のプラズマを、トランスフォーマー誘導電流によらず外部コイルだけで閉じ込める磁気閉込め装置の総称である。ヘリオトロン、トーサトロン、ステラレータなどと呼ばれる一連の装置がこれに属し、主磁場を生むコイルをプラズマの周囲で螺旋状に巻くことで、トロイダル方向に一様でない、三次元的にねじれた磁場を形成する。このねじれが粒子のドリフトを相殺して閉込めを実現するため、プラズマ電流が本質的に不要であり、電流駆動に起因する不安定化や電流遮断の問題を原理的に回避できる。日本ではこの系統の装置をヘリカル装置と総称し、その代表格として大型ヘリカル装置(LHD)が建設・運用されている。

図はLHDの全体を示す模式図と、真空容器内に設置された高周波加熱アンテナの写真である。螺旋状の超伝導コイルがプラズマを包み込む様子と、容器内壁に沿って配置されたポート・アンテナ構造が見て取れる。

螺旋閉込めの原理：トランスフォーマーを要しない閉じ込め

トカマクではプラズマ自身に流す電流が磁場のねじれを作って粒子のドリフトを打ち消すが、この電流はトランスフォーマーで誘導する必要があり、定常運転の根本的な制約となる。ヘリカル装置では、このねじれを外部コイルの幾何学で与える。ヘリオトロン/トーサトロン型では、連続的な螺旋巻きのコイル(あるいはその極数を分離したコイル群)が、トロイダル磁場とピッチ角磁場の両方を同時に生み出す。磁力線がトロイダル方向に一周する間に極方向にも回転する、いわゆる回転変換が外部から固定されるため、プラズマ電流はゼロでも磁力線面が閉じる。

電流が不要であることの利点は単に「定常運転が可能」にとどまらない。電流駆動のプラズマで問題となる破壊的な磁気流体不安定性の主要な駆動源が最初から存在せず、密度上限も電流に由来する制限を受けない。その一方で、磁場が軸対称でないことに起因する固有の課題がある。磁力線面の精度がコイル製作誤差に直接敏感であること、また粒子の軌道が三次元磁場中で複雑になり、閉じ込めの良否が磁気面の位置や形状に強く依存することが挙げられる。このためヘリカル装置の研究は、コイル設計による軌道最適化と、実験による閉込め・安定性の検証とを一体で進めてきた。

大型ヘリカル装置：設計と超伝導コイル

LHDはヘリオトロン型のヘリカル系として、定常状態のプラズマ閉込め実験を目的に設計された。二本の超伝導ヘリカルコイルと六本のポロイダルコイルを用い、約8年にわたる技術開発を経て建設が完了し、1997年度末に初めてプラズマ閉込め実験を実施した。超伝導コイルの採用は、長パルス・定常運転を前提とした装置設計の核心であり、大型超伝導磁石の製作・冷却技術の確立を伴う工学的挑戦であった。

加熱系としては、中性粒子入射(NB)に加え、電子サイクロトロン加熱とイオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱が備わる。ICRF加熱は少数イオン加熱の方式で、共鳴条件を満たす少数種イオンを波で加速し、そのエネルギー緩和を通じて主イオン・電子を加熱する。加熱効率は少数イオンの割合に強く依存するため、定常運転では放電中に壁やダイバータタイルからの脱ガスで少数イオン比が変動することへの対処が課題となり、入射パワー変調実験によって吸収効率や高速イオン生成を系統的に評価する手法が用いられている。重水素プラズマでは、ICRFによる第三高調波加速とNB入射の併用で中性子放出率が熱核融合反応率の計算と整合することが確認され、バルクイオン情報の診断手段としても利用されている。

磁気配位と端部制御：ヘリカルダイバータと局所アイランドダイバータ

LHDの磁気配位は、閉じたダイバータ系を最初から組み込んだ点に特徴がある。ヘリオトロン型配位では、最外殻磁気面の外側に磁力線が層状に流れる端部構造が本質的に形成され、これがヘリカルダイバータとして機能する。プラズマから流出した熱と粒子は、この層を伝って非軸対称な打ち込み線に沿ってダイバータ板へ導かれる。磁力線の足跡はトロイダル方向に螺旋状に変調され、ダイバータ板上の熱流束は単一の峰ではなく複数の峰を持つ。この三次元的な熱流分布は、共鳴磁場擾乱を印加したトカマクで見られる構造と本質的に共通であり、カオス的な磁場中の非軸対称熱輸送を研究する共通の舞台となっている。

端部制御の目的は、定常運転に不可欠な熱除去と不純物排出にある。LHDでは二つの方式が構想された。一つはヘリカルダイバータそのもので、高密度・低温の放射ダイバータ運転による安全な熱除去と、効率的排気による高温ダイバータプラズマ形成(数keV規模)を通じたコア閉込め改善の二つの運転モードが検討された。他方は局所アイランドダイバータで、外部から生成したm=1, n=1の磁気アイランドにダイバータヘッドを差し込み、粒子の再結合をトロイダル方向に局在化させることで高い排気効率を狙う方式である。この方式は小型ヘリカル装置での実験を経て設計が進められた。実際の運転では、不純物シードによる放射強化によってダイバータ熱流束を低減する実験が行われ、複数の熱流束峰それぞれが放射冷却で異なる程度に低減されること、一次打ち込み線の熱負荷は大きく下がる一方、非軸対称な峰では電子温度が依然高いことが示された。また端部の磁場構造を利用した共鳴磁場擾乱のデタッチメントへの効果もモデル化・検証されている。

電流なしプラズマの閉込めと到達パラメータ

ヘリカル装置のプラズマは本質的に電流を持たないため、その性能は「正味電流ゼロのプラズマでどこまでのパラメータが得られるか」で評価される。LHDでは、正味電流なしプラズマのパラメータが着実に拡大されてきた。体積平均ベータ値は5%に達し、4.5%を超える高ベータ状態がエネルギー閉込め時間の100倍以上維持された。中心密度は内部拡散障壁の形成により1×10²¹ m⁻³を超え、低密度条件下ではイオン熱伝導損失の抑制と結びついてイオン温度5.2 keVが達成された。これらは別々の放電で得られた値ではあるが、核融合炉に関連する各パラメータが正味電流なしヘリオトロンプラズマで実現可能であることを示した。

閉込め研究の面では、電子熱輸送やイオン熱輸送の理解が中心課題である。端部冷却への応答としてコアの電子熱輸送が急激に低減する現象、イオン内部輸送障壁プラズマでの熱・運動量輸送、長距離相関を持つ揺動が輸送に及ぼす影響、低Z材料粉末入射による揺動低減領域の出現など、輸送の制御と改善に関わる幅広い実験が行われてきた。また高エネルギー粒子の物理も重要な研究領域である。NBやICRFで生成されるMeV級の高速イオンはアルフベン固有モードを励起し、そのバーストによる高速イオンの輸送・損失が軌道追跡シミュレーションやランダウ閉包モデルで解析されている。高速粒子駆動の測地音響モードによるエネルギーチャネリングも調べられている。これらはいずれも、燃焼プラズマ中のアルファ粒子閉込めを予見する基礎物理として共通する主題である。

配位の柔軟性：プラズマシフトと軌道最適化

ヘリカル系の大きな特長は、コイル電流比やプラズマ位置を変えることで一つの装置内に多様な磁気配位を作れる点にある。ヘリカルコイル巻き中心に対するプラズマ位置の変化は、磁気流体安定性と閉じ込め粒子の軌道の両方を制御する有力な手段であるが、この二つは互いに背反する性質を持つ。内側シフト配位は粒子のドリフト軌道の最適化に有利である一方、メルシエ基準による安定性予測では不利とされる。小型低アスペクト比ヘリカル装置(CHS)での実験はこの背反関係を実証的に扱った例であり、中間の標準位置で電場構造・プラズマ回転・磁気流体現象の研究を進めつつ、広い範囲の内側シフト配位が特定の圧力分布に縛られずに安定な放電を許すことが見いだされ、軌道最適化配位の実験研究が可能となった。

LHDでも、磁軸位置のシフトを含む配位掃引が閉込め・安定性・端部構造の研究の基本手段であり、自由境界の研究やソフトX線CCDカメラによるシャフラノフシフト測定など、配位の実効的な位置・形状を診断する手法が発展してきた。配位の柔軟性は端部制御とも結びつく。磁軸位置の選択はダイバータ板上の熱流束分布やストライク点の位置を変え、放射ダイバータ運転の最適化と直結する。このように、外部コイルだけで閉じ込めを完成するヘリカル装置は、磁場を「設計対象」として実験中に変えられる点で独自の研究手段を提供しており、定常運転の見通しと相まって、トカマク系とは補完的な役割を担っている。