ヘリカルシステム

ヘリカルシステム（helical system）とは、プラズマを閉じ込める磁場を外部のコイル電流だけで作るトーラス型核融合装置の総称である。トカマクがプラズマ自身に流すトロイダル電流で磁力線のねじれを作るのに対し、ヘリカルシステムではねじれをヘリカル巻きコイルなど外部導体で与えるため、原理的に定常運転が可能である。この「電流を必要としない閉じ込め」が最大の特徴であり、その代償として磁場が本質的に三次元的になることが、後述する輸送や安定性の諸問題の源泉となっている。

定義とヘリカル閉じ込めの概念

トーラスの中でプラズマを閉じ込めるには、磁力線が単に周回するだけでは不十分で、ポロイダル方向にも回転して磁面を形成する必要がある。トカマクではプラズマ電流がこの回転を生むが、電流は変圧器で駆動するしかなく、パルス運転しかできない。ヘリカルシステムはここを根本的に変え、ねじれた磁場を持つコイルを外側から固定することで、電流に依存しない磁面を真空中にあらかじめ用意する。磁場のねじれの強さは回転変換角（rotational transform）で表され、これが磁面一周あたりの磁力線のポロイダル回転量を与える。

この方式の難しさは、磁場が軸対称でないことに由来する。磁力線に沿って見ると磁場強度が一様でなく、磁面内に「磁場の谷」すなわちヘリカルリップルができる。この谷に捕まった粒子（ヘリカルに閉じ込められた粒子）は、軸対称系では許されない径方向のドリフトを蓄積し、トカマクより大きな新古典拡散を生む。ヘリカルシステム研究の歴史は、この欠点を磁場形状の工夫で抑え込む「最適化」の歴史と言える。具体的には、磁軸をシフトさせる、磁面を楕円的に変形させる、トロイダルミラー比を高めるといった操作が、捕まった粒子の軌道幅やドリフトを変えて輸送を低減する。楕円変形がわずかでも新古典拡散係数を数割増大させうるという計算は、磁面形状の細部が輸送に敏感に効くことを示す古典的な例である。

装置の分類：ヘリオトロン・トーサトロン、CHS と LHD

ヘリカルシステムにはいくつかの装置形態がある。古典的スタセラトロンは複数対のヘリカル巻きコイルでねじれを作るが、現代の主流はヘリオトロン型で、連続巻きのヘリカルコイルとトロイダルコイルを組み合わせ、磁場のねじれとミラー項を独立に調整できる。日本ではこの系統の装置が発展的に建設され、低アスペクト比のコンパクトヘリカルシステム（CHS）から、大型の大型ヘリカル装置（LHD）へと研究が引き継がれた。LHD は主要ヘリカル磁場のポロイダル周期数 L = 2、トロイダル周期数 M = 10 を持つ代表的な大型装置であり、CHS は低アスペクト比という、トカマクに近い形状でのヘリカル閉じ込めを探る役割を担った。

L = 2 系では、磁軸のシフトが磁面構造と輸送の両方に強く影響する。内側シフト配置はヘリカルリップルに捕まった粒子の径方向ドリフトを遅くするため、乱流を抑える帯状流（zonal flow）の応答が高くなることが回転運動論的シミュレーションで示されている。また、磁軸をわずかに外側へ出し、磁面を縦方向に伸長させた配置はブートストラップ電流を減らすのに有利である。ブートストラップ電流はプラズマの圧力勾配が自発的に駆動する電流で、ヘリカルシステムではこれが磁面を変形させ、閉じ込めを意図せず変えてしまうため、その大きさを設計段階で制御しておくことが重要になる。バナナ領域では軸シフトと磁面形状が効くのに対し、プラトー領域ではむしろヘリカル巻きのトロイダルピッチ数が支配的になる、というように、衝突度によって最適化の指針が変わる点にも注意が必要である。

三次元平衡と磁場配置

ヘリカルシステムの平衡は本質的に三次元であり、トカマクで用いられるような軸対称のグラード＝シャフラノフ方程式では記述できない。磁面は厳密には存在が保証されず、磁場のカオス的な領域や島構造が生じうる。このため、三次元 MHD 平衡を直接数値計算するコード群が発達し、その一つである HINT 系のコードは、磁力線の追跡に基づいて圧力と磁場の平衡を求め、周辺部の開いた磁力線領域（スクレイプオフ層につながる周辺プラズマ）まで一貫して扱える。周辺部では磁面が壊れて磁力線が壁へ向かうため、閉じ込め領域と排気系の接続を理解する上でこの種の計算は不可欠である。

三次元性は診断にも現れる。低アスペクト比のヘリオトロンではシャフラノフシフト（圧力による磁軸の外側移動）の振る舞いがトカマクと定量的に異なり、磁場配置の変化に対する感度が高い。また、磁場配置のわずかな違いが粒子のピンチ速度（径方向内側への輸送速度）を変えるなど、配置の選択が閉じ込め性能に直結する。現代のヘリカル研究では、新古典輸送を最小化するよう磁場を設計する「最適化」の考え方が中心にあり、トロイダルミラー比を高めることで新古典輸送を下げる配置などが実際に構成されている。

新古典輸送と乱流輸送

ヘリカルシステムの輸送は、新古典輸送と乱流輸送の二つの寄与からなる。新古典輸送は粒子の衝突による散乱が、三次元磁場のリップルに捕まった粒子のドリフト軌道と結びついて生じるもので、衝突頻度 ν が低い領域では拡散係数が ν に反比例して増えるという、トカマクとは質的に異なる依存性を示す。これはリップルの谷に捕まった粒子が衝突で散乱されて初めて磁面を横切れるためであり、衝突が少ない高温プラズマほど不利になる。したがって磁場最適化は、この捕まり軌道の寄与をいかに小さくするかという問題に帰着する。

一方、乱流輸送はドリフト波不安定、とりわけイオン温度勾配（ITG）乱流が主役である。ここで重要なのが帯状流である。乱流が自発的に励起するこの軸対称な電場のゆらぎは、乱流渦をせん断で引き裂いて輸送を抑制する負帰還として働く。ヘリカル系ではリップルに捕まった粒子の径方向ドリフトが遅いため帯状流の減衰が弱く、配置によってはトカマク以上に帯状流が効く。実際、内側シフト配置では ITG の線形成長率が大きくなるにもかかわらず、帯状流による規制の結果、乱流輸送が標準配置と同程度に抑えられることが非線形回転運動論シミュレーションで示されている。さらに、新古典的に最適化された配置は乱流輸送も小さいという傾向が、異なる装置間の回転運動論シミュレーション比較で確認されており、帯状流の強さの違いがその一因とされる。つまり新古典最適化は乱流にも好影響を与えうるのであり、これはヘリカルシステム設計における重要な知見である。

MHD 安定性と高エネルギー粒子物理

電流を駆動しないヘリカルシステムは、キンク型の不安定性に対しては原理的に有利であるが、圧力駆動の不安定性や高エネルギー粒子の物理は依然として重要である。中性粒子ビーム入射（NBI）で加熱されたプラズマでは、ビーム由来の高速イオンがアルフベン固有モード（AE）やフィッシュボーン様のバーストモード（FB）を励起する。トロイダル性誘起アルフベン固有モード（TAE）や大域アルフベン固有モード（GAE）が観測され、バーストごとに周波数が急速にチャープする非線形挙動が見られる。これらのモードは高速イオンを共鳴的に散乱して損失させうるもので、特定のモードでは壁向きの高速イオン損失がパルス状に増大することが確認されている。モードのポロイダル・トロイダルモード番号の同定や、チャープ量の測定は、高速粒子と波の共鳴相互作用を定量的に理解する基礎データとなる。

また、プラズマ電流を持つヘリカル配置では、電流が作る磁場とヘリカル磁場の干渉による再結合モード（m = 1 モードなど）の非線形挙動も研究対象であり、電流を完全にゼロにしない運転形態での安定性評価が必要である。閉じ込め改善については、トカマクの H モードに類似したエッジ輸送障壁がヘリカル系でも形成され、径方向電場の構造とその遷移が閉じ込めを支配することが、プローブ計測や重イオンビームプローブによる電位分布測定で調べられてきた。径方向電場の剪切が乱流を抑え、新古典輸送の上に乗る実効的輸送を決めるという描像は、ヘリカル系とトカマクに共通する枠組みであるが、その電場が外部電流なしの磁場構造とどう結びつくかは、ヘリカルシステム固有の研究課題として現在も続いている。