ヘリシティ入射

ヘリシティ入射（helicity injection）とは、磁気ヘリシティという保存量を外部からプラズマに供給することで、トロイダルプラズマ電流を非誘導的に生成・維持する手法である。トカマクやスフェロマク、FRC（field-reversed configuration、反転磁場配置）などの環状磁場閉じ込めでは、プラズマ電流を変圧器（ソレノイド）で誘導するのが伝統的だが、これは本質的にパルス運転であり定常炉には不向きである。ヘリシティ入射は電極間に電圧を印加して磁力線に沿って電流を流し、磁力線の「ねじれ」を連続的に注入することでこの制約を回避する。図に示すように、注入用のフラックスコアからプラズマへ磁束と電流を与える構成が基本形であり、図は(a)反ヘリシティのスフェロマク合体によるFRC生成と間欠的なフラックスコア注入の概念、(b)一次コアと注入用コアに流れる電流の時間波形を示している。

原理：保存量としての磁気ヘリシティ

磁気ヘリシティ K = ∫ A·B dV は、磁力線の絡み合いとねじれを測る量であり、磁気面が閉じた理想MHDでは厳密に保存される。有限の抵抗がある場合でも、磁力線の再結合が起きるような速い時間スケールに比べれば、ヘリシティの減衰時間はエネルギーの減衰時間（抵抗拡散時間）に比べてはるかに長い。この分離がヘリシティ入射の物理的基盤である。すなわち、エネルギーは急速に散逸するがヘリシティはほぼ保存されるという条件下では、プラズマの最終状態は「注入されたヘリシティ」によってほぼ一意に決まる。

ヘリシティの時間変化は、境界面上の電圧と磁場の接線成分の積、すなわち磁力線に沿って流れ込む電流と電圧の積（ポインティング束の磁場に平行な成分）で与えられる。したがって、電極対に電圧をかけ、その間を貫く磁力線に沿って電流を駆動すれば、プラズマはヘリシティを連続的に受け取る。このとき入力される電力は V·I であり、これがプラズマの維持に必要なオーム損失とMHD的散逸を賄う。変圧器のように磁束を一方向に掃き切るのではなく、磁力線の接続を通じて「ねじれ」を供給し続ける点が、定常運転を可能にする本質的な違いである。

同軸ヘリシティ入射（CHI）

同軸ヘリシティ入射（coaxial helicity injection, CHI）は最も広く研究された方式である。中心電極と外周電極からなる同軸のノズルをプラズマ容器の一部に設け、両電極間に電圧を印加して、トロイダル磁場に沿って電極間を結ぶ磁力線に電流を流す。この電流が自らの磁場をねじりながらプラズマ本体へ吹き出し、磁気ヘリシティを注入する。電流が十分に大きくなると、キンク不安定性や再結合を経て磁力線が閉じた磁気面を自発的に形成し、トカマク様の閉じ込め配位が生まれる。

CHIは二つの使われ方をする。一つはプラズマ生成（スタートアップ）であり、トカマクにおいてソレノイドなしでプラズマ電流を立ち上げる手段として、NSTXなどの球状トカマクで実証された。この際、プラズマの初期ブレークダウンは タウンゼント（Townsend）理論で記述される電子の衝突電離カスケードとして理解され、容器内のガス圧と電場、磁力線の接続長が開始条件を決める。もう一つは電流駆動の持続であり、閉じた磁気面が形成された後もヘリシティを供給し続けることで定常的なプラズマ電流を維持する。後述の緩和理論が示すように、この持続は必ずしも高効率ではないが、電極構造が単純で、単連結の容器で動作できる点が工学的に有利である。

局所ヘリシティ入射によるトカマク・スタートアップ

局所ヘリシティ入射（local helicity injection, LHI）は、CHIの概念をプラズマ縁の限られた領域に集中させた方式である。低磁場側または高磁場側の縁に強い電子電流源（アーク源など）を置き、そこから局所的にヘリシティを注入する。注入された電流はプラズマ中でトロイダル方向に平均化され、MA級のトカマク様プラズマを生成できる。ペガサス（Pegasus）球状トカマクでは、この方式で生成したプラズマをオーミック駆動へ移行させることに成功しており、ソレノイドなしの起動経路としての実現性が示されている。

局所注入の課題は、駆動電流が空間的に不均一であることに起因するMHD摂動である。高周波のMHD活動が電流駆動中に観測され、これが閉じ込めや駆動効率を損なう。しかし、MHD活動が抑制された新しい運転領域では、駆動効率が向上し長パルスの維持が可能になることが見出されており、注入源の配置や動作条件の最適化が現在の研究の中心にある。

誘導的・間欠的注入：スフェロマクとFRC

CHIが電極を用いるのに対し、誘導的なヘリシティ注入は非軸対称なコイル電流を誘導的に駆動することでヘリシティを与える。ヘリシティ注入トーラス（Helicity Injected Torus）と呼ばれる装置では、プラズマ縁の非軸対称電流を誘導駆動し、軸対称なスフェロマク平衡を生成・維持する。数値シミュレーションでは、電流増幅率6程度で閉じた磁気面が形成され、注入がもたらす摂動（1%程度）にもかかわらず、20周期（1.3 ms）にわたって閉じ込めが維持されることが示されている。

FRCへの応用では、反対符号のヘリシティを持つスフェロマクを合体させることでFRCを生成する手法が古くから知られている。近年、この合体を周期的に繰り返す間欠的ヘリシティ注入が提案されている。FRCはトロイダル磁場を持たないため n=1 のチルト不安定性に対して脆弱だが、合体時に生じる再結合は強いトロイダル方向のせん断流を励起し、これがチルトモードのコヒーレンスを壊して一時的な安定化をもたらす。間欠的な注入はこのせん断流を「更新」し、同時にヘリシティとエネルギー、イオン加熱を供給する。単発の合体ではせん断流の減衰とともに不安定性が再発するが、周期的な注入により準定常的な制御が可能になる可能性が3次元Hall-MHDシミュレーションで示されている。

緩和、テイラー状態、電流駆動効率

ヘリシティ入射で維持されるプラズマの状態を理解する理論的枠組みがテイラーの緩和理論である。ヘリシティを保存しながらエネルギーを最小にする磁場配位は、力学的平衡（force-free）状態 ∇×B = λB、すなわちテイラー状態である。ここで λ は系に注入されたヘリシティと磁束の比で決まる定数であり、電流が磁場に平行に流れる。この状態は、電流駆動という観点からは「最小のオーム散逸状態」であり、ヘリシティ入射が目指す定常状態の理論的終点とみなせる。

しかし、緩和状態では電流がプラズマ全体に広がるため、必要なヘリシティ注入量（すなわち電極電圧×電流）が大きくなり、駆動効率が本質的に低い。このため、閉じ込め性能の高いトカマクでは、緩和を部分的に抑え、電流分布を制御する方向の研究が進んでいる。異方性抵抗や非軸対称摂動が最小散逸状態に与える影響、平均場オーム則を用いた記述などが理論的な課題であり、実験的にはMHD摂動の抑制と駆動効率の向上が両立するかが今後の鍵となる。