ヘリオトロン

ヘリオトロン（heliotron）は、磁場によるプラズマ閉じ込めを行う核融合装置のうち、らせん状のコイル電流だけでトロイダル方向の回転変換を持つ磁場を生み出す、ステラレータ系装置の一類型である。トカマクと異なりプラズマ電流に頼らずに閉じ込め磁場を形成できるため、定常運転に本質的に適した概念とされる。日本で命名・発展した概念であり、京都大学のヘリオトロンD、ヘリオトロンE、ヘリオトロンJから、大型ヘリカル装置（LHD）に至る一連の装置がこの系譜に属する。

ヘリオトロン概念とその装置

ヘリオトロンの基本的な考え方は、トロイダルコイルに加えて、トロイダル軸の周囲をらせん状に巻いたヘリカルコイルを用いることで、軸対称でない三次元磁場の中に閉じ込め磁面を作ることにある。ヘリカルコイルが作る磁場の極数（pole number）とらせん周期数（M）を組み合わせることで、大アスペクト比でありながら大きな回転変換と強い磁気シアを同時に持つ配置が得られる。ヘリオトロンEはこの典型例で、大アスペクト比の大きい配置にM=19のヘリカルコイルと垂直磁場コイル、トロイダルコイルを組み合わせ、1980年代に電子サイクロトロン加熱（ECRH）による無電流プラズマの生成・加熱を本格的に実施した。ジャイロトロンを用いたECRHで無電流プラズマを生成し、これに中性ビーム入射（NBI）や高周波加熱（ICRF）を重ねるという運転様式は、以後のヘリカル系装置の標準となった。

ヘリオトロン概念の研究は1980年代に大きく進展し、無電流プラズマでの高パラメータ達成、高ベータ限界や第二安定領域の理論的理解、らせん軸効果や電場が輸送に及ぼす効果の解明、そして炉概念の改善が進んだ。この時期に整備された課題意識を受けて、CHS（コンパクトヘリカルシステム）、ヘリオトロンJ、LHD、Wendelstein 7-X など、磁場配置の柔軟な制御を備えた次世代装置が建設・運転されている。

ヘリオトロンJの標準配置のポアンカレ図を見ると、この概念の磁場構造が直観的に理解できる。

図は標準配置（ι/2π = 4/7 有理面近傍）と 4/8 配置近傍のポアンカレ断面と回転変換分布を示し、(a)(b) でらせん周期に応じた島構造の様子が、(c)(d) でプラズマ電流によって回転変換分布が変位する様子が読み取れる。このようにヘリオトロンでは、コイル電流比を変えることで回転変換分布と端の島構造を柔軟に設計できることが、概念の大きな強みとなっている。

磁場配置と回転変換の制御

ヘリオトロンの磁場配置は、回転変換 ι/2π の半径分布によって特徴づけられる。回転変換は、磁力線がトロイダル一周の間にポロイダル方向に何回まわるかを表す量で、トカマクではプラズマ電流が作るが、ヘリオトロンではヘリカルコイル電流と垂直磁場コイルの調整によって、プラズマ電流なしに決まる。有理面 ι/2π = n/m の位置には磁気島が形成され、特に端部の低次有理面の島は閉じ込め領域の外縁構造を決定する。

回転変換の走査実験により、プラズマ性能が有理面の位置に敏感であることが示されてきた。ヘリオトロンJでは、ι/2π(a) が 4/8、4/7 といった低次有理値をわずかに下回る配置でエネルギー閉じ込めの向上係数が高くなることが報告されている。また磁気島は局所的なポロイダル流の構造を変え、島のO点近傍に渦状の流れが生じたり、島内部でW字型の流れ構造と密度揺らぎの低下が観測されたりする。島と流れシアの相互作用は輸送障壁やHモード遷移と結びつくと考えられており、島の有無による密度分布の変化も観測されている。一方で、磁気シアが有限でも島がコア輸送に影響しうること、有理面が電子熱輸送に利得をもたらす場合があることなど、島・有理面とプラズマ性能の関係の機構はまだ完全には理解されていない。

無電流運転が基本とはいえ、NBI加熱ではビーム誘起トロイダル電流や新古典的電流が生じ、また高ベータ化に伴いブートストラップ電流が流れる。ヘリオトロンEではNBI加熱下でビーム誘起電流と新古典電流が観測され、ヘリカル装置でもプラズマ電流が無視できないことが実証された。低磁気シアの先進的配置では、この電流が回転変換分布を変化させ、端の磁場構造を意図せず動かす要因となる。

端部構造：島ダイバータ、ヘリカルダイバータ、リミタ配置

ヘリカル系装置の端部では、共鳴磁場の島が外縁でつながって磁力線が真空容器壁へ導かれる「島ダイバータ」構造が自然に形成される。これはトカマクのポロイダルダイバータに相当する機能を、追加の専用コイルなしに三次元磁場だけで実現するもので、排熱・不純物制御の鍵となる。リミタ配置では不純物の侵入が増えるのに対し、ダイバータ配置では不純物遮蔽が働き、プラズマ制御性が向上する。LHDでは局部島ダイバータと摂動コイルによる端部制御が行われ、超高密度コアモードの発見につながった。Wendelstein 7-AS が島ダイバータ配置でのリサイクリング・不純物制御の有効性を示し、Wendelstein 7-X が水冷付き島ダイバータによる長パルス放電を達成したことは、この端部概念の成熟を示す。

ヘリオトロンJは磁場配置の柔軟な制御を生かして、島ダイバータ配置とヘリカルダイバータ配置を使い分けられる装置であり、配置の違いが端部輸送にどう影響するかの実験的検証の場となっている。島配置と非島配置の回転変換分布と磁力線の接続長分布の違いは、端部の熱・粒子流の行き先を直接決める。

図は島配置（赤）と非島配置（青・黒）の回転変換分布と、各配置における磁力線の接続長の半径分布を示したもので、島配置では接続長の短い領域が端部に現れ、熱・粒子が壁へ導かれる経路が形成されることが分かる。

ただし低磁気シアの先進的配置は、プラズマ電流による端部磁場構造の変化に対して脆弱である。Wendelstein 7-X では電流上昇に伴ってダイバータ配置からリミタ配置への遷移が予測・観測され、ヘリオトロンJでも電流による熱流フットプリントの移動が観測された。さらに、ダイバータ配置が維持できずリミタ配置へ遷移する条件では、電子密度・プラズマ電流・磁場揺らぎを伴う約2kHzの自発的振動のような、予測が難しい端部現象が生じうることが報告されており、将来の定常運転に向けて端部構造の維持・制御が重要課題となっている。

閉じ込め、MHD安定性、ブートストラップ電流

ヘリオトロン系プラズマの閉じ込めは、ECRH・NBI・ICRF で加熱された無電流プラズマについて系統的に研究されてきた。ヘリオトロンEではNBI加熱プラズマのエネルギー閉じ込め時間のパラメータスケーリングが求められ、国際ステラレータデータベースのスケーリング（ISS95 など）の整備を通じて、ヘリカル系閉じ込めがトカマクと同程度のスケーリング則に従うことが確立されていった。Hモード遷移もCHSやヘリオトロンJで観測され、端部流シアが関与する閉じ込め改善がヘリカル系でも普遍的に起こることが示された。

MHD安定性の面では、大アスペクト比・高シアのヘリオトロン配置は交換不安定に対して比較的安定であり、理想・抵抗交換不安定の解析が負磁気シアのトカマクと無電流ヘリオトロンプラズマについて行われてきた。ベータ限界はブートストラップ電流によって変化し、電流が回転変換分布を変えることで共鳴面の位置が動き、安定性に影響する。内部破壊における圧力分布の自己組織化もヘリオトロンプラズマで研究されている。また、三次元磁場特有の話題として、磁場リップルの井戸に捕獲された粒子の挙動、有効ヘリカルリップルに対する最外殻磁面形状の効果、ゾーナル流応答、捕獲電子が電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）に及ぼす影響などが、ヘリオトロンJやL=2ヘリオトロンのモデル配置で調べられている。共鳴磁場摂動（RMP）を印加したヘリオトロンプラズマの三次元MHD解析も進められている。

炉設計の課題

ヘリオトロンを炉へ発展させる際の中心的な制約は、三次元コイル系と炉心プラズマを両立させる幾何学的設計にある。LHD型ヘリオトロン炉では、ブランケット空間の確保が鍵となり、ヘリカルピッチパラメータ γ（らせんコイルの巻きの締まり具合を表す無次元量）がコイル形状とプラズマ形状の両方を大きく左右する。システム設計コードによるパラメータ走査では、3GW級の融合出力を想定した場合、γ = 1.20 が物理的要求を緩和する上で最適とされ、γ = 1.15 も低い融合出力かつ高い中性子壁負荷を許容すれば選択肢になりうることが示された。設計窓はコイル系の蓄積磁気エネルギー、内側最小ブランケット空間、平均中性子壁負荷という工学制約に強く依存する。

炉設計に向けた物理側の課題としては、定常運転を前提とするための不純物遮蔽と排熱制御（ヘリオトロン型装置での定常水素プラズマにおける不純物遮蔽基準の研究）、ブートストラップ電流を含む平衡のベータ限界、そしてプラズマ電流変動に対して端部ダイバータ構造を維持する配置設計が挙げられる。ヘリオトロン概念は、電流に依存しない定常閉じ込めという本質的利点を持ちながら、三次元磁場ならではの端部制御とコイル工学の最適化という課題を、Wendelstein 7-X や LHD の実績を足場として解決しつつある段階にある。