球状トカマク

球状トカマクは、プラズマトーラスの主半径と副半径の比(アスペクト比)を従来トカマクの3程度から2以下、多くの場合1.2〜1.6まで下げた磁気閉じ込め装置である。断面形状はドーナツというより「芯を抜いたリンゴ」に例えられ、中心柱にトロイダル場コイルを集中させることで、小さな機械体積で高いプラズマ性能を狙う。図はその典型例として、高磁場球状トカマクST40の断面を示す。細くねじられた24枚のくさび材からなる中心柱のトロイダル場コイルを軸に、内側・外側の真空容器、極向き場コイル、ダイバータ組立体がコンパクトに配置されている様子が分かる。

概念と幾何:低アスペクト比の利点

アスペクト比 A = R/a は、トーラスの主半径 R と副半径 a の比であり、ITER(3.1)やJT-60SA(2.5)のような通常トカマクでは工学上の理由から3前後に取られてきた。球状トカマクは A < 2、代表機では1.3前後まで下げる。これが本質的に重要なのは磁場構造の側である。トロイダル場の強さは主半径に反比例して減衰するため、低アスペクト比では磁場線が内側(曲率が安定な強磁場側)に長く留まり、外側の不安定な弱磁場側を短く通る。このためプラズマは磁場圧力に対して高い圧力を安定に保持できる。圧力と磁場圧力の比であるベータ値でいえば、通常トカマクの2倍以上、実験では30%台という値が維持できることが初期の装置で示された。