磁気シア

磁気シア（magnetic shear）とは、トカマクなどの軸対称磁気閉込めプラズマにおいて、安全係数 q の半径方向変化、すなわち磁力線がプラズマ中を周回するときの「ねじれ」の強さが半径位置によってどう変わるかを表す量である。安全係数は磁力線がトロイダル（周方向）に一周する間にポロイダル（断面内）に何周するかを示す無次元数で、その勾配を無次元化した量 ŝ ≡ (r/q)(dq/dr) が磁気シアと定義される。磁気シアは磁力線の配位の幾何学を決める基本的パラメータであり、MHD安定性、微視的乱流、輸送、そして内部輸送障壁（ITB）の形成といった、磁気閉込め融合の性能を左右するほぼすべての現象に影響を与える。このため、q プロファイル（安全係数の半径分布）の制御は先進的運転シナリオ設計の中心課題となっている。

定義と q プロファイルの幾何

トカマクの磁場は、トロイダル磁場とプラズマ電流が作るポロイダル磁場の合成であり、磁力線は断面内を回りながら周方向にも進む螺旋を描く。この螺旋の「ピッチ」が安全係数 q であり、中心から外に向かって q がどう変化するかが磁気シア ŝ である。標準的なオーム加熱プラズマでは電流密度が中心にピークを持ち、q は中心で 1 以下から外側に向かって単調に増加する（正のシア、PS）。一方、電流分布を外部で操作すると、q が中心付近で平坦になる弱シア（WS）、あるいは中心で q が極大を持ち外側に向かって一度下がる負のシア（NCS、逆シアとも呼ぶ）という配位も作れる。負のシアのプラズマでは q が極小値 q_min を持つ有理面が存在する。

図に、同一装置内で電子加熱を用いて Te/Ti ≈ 1 の条件にそろえながら q プロファイルだけを走査した例を示す。正シアでは q が中心の 1 付近から外縁の 4 を超えるまで単調に伸びているのに対し、弱シアでは中心付近の立ち上がりが緩やかになり、負の中心シアでは q が中心で 3 を超えた後、半径 0.3〜0.4 付近で極小値 2 以下まで下がってから再び増加する、という非単調な形をしている。