トロイダル磁場コイル

トロイダル磁場コイル（toroidal field coils、略してTFコイル）は、トカマクやヘリカル装置などの環状磁気閉鎖装置において、プラズマを周回する方向（トロイダル方向）の磁場を発生させる主磁場コイルである。プラズマ中の荷電粒子は磁力線に沿ってラーマー運動をするため、トロイダル方向の強い磁場はプラズマを環状に閉じ込めるための基礎となる。コイル電流とプラズマ電流の合力として働くローレンツ力は極めて大きく、TFコイルの設計・製造・支持構造は核融合炉工学の中心課題の一つとなっている。

図は、ITERで実際に製造されたTFコイルの全体形状と、巻線パック（winding pack、WP）と支持構造との組み立て関係を示す。コイルは高さ約17.7メートル、幅約9.2メートル、総重量約310トンのD字形超伝導磁石であり、そのうち巻線パックが約110トン、ステンレス鋼製の支持構造が約200トンを占める。ITERではこのコイルが18基と予備1基でトロイダル方向に並べられ、コイル内を流れる68キロアンペアの電流によって、コイル上で最大約11.8テスラ、プラズマ主半径位置で約5.3テスラの磁場を発生させる。

トカマクにおける役割と動作原理

トカマクでは、プラズマ電流が作るポロイダル磁場とTFコイルが作るトロイダル磁場とを重ね合わせて螺旋磁力線を形成し、粒子の閉じ込めを確保する。トロイダル磁場の強さはコイル電流にほぼ比例し、環の中心軸からの距離に反比例して減衰する。このためプラズマ側（内側）ほど磁場が強くなり、この不均一性が後述の構造荷重やリップルの起源となる。

超伝導コイルの採用により、放電中のコイル発熱の問題は解消されたが、代わりに超伝導体が臨界磁場を超えられないという新たな制約が加わった。低温超伝導体では、コイル内側（高磁場側）で磁場が最大となるため、軸上のプラズマ磁場はこの臨界値によって実質的に上限を定められる。すなわち、TFコイルの性能がそのまま装置の磁場強度、ひいては閉じ込め性能の上限を規定する。

さらに、TFコイル電流は放電時間全体を通じてほぼ一定に保たれる。超伝導装置では運転中にトロイダル磁場を切ることは通常なく、この定常性がコイル系の設計思想の基本となっている。