磁場配位

磁場閉じ込め核融合では、磁力線の構造がプラズマの閉じ込め性能と安定性を決定する。

トロイダル磁場とポロイダル磁場

トロイダル磁場はトーラスの周方向に沿った成分で、TFコイルが生成する。磁場強度は中心軸からの距離に反比例し、トーラス内側で強く外側で弱い。この磁場勾配が粒子ドリフトを引き起こす。

ポロイダル磁場は小断面を周回する成分で、ドリフトによる電荷分離を打ち消す。トカマクではプラズマ電流が、ステラレータでは外部ヘリカルコイルがこれを生成する。両磁場の合成により磁力線はらせん状に周回し、粒子が内外を交互に通過することでドリフトが時間平均で相殺される。

安全係数qは、磁力線がポロイダル方向に1周する間にトロイダル方向に何周するかを表す。回転変換はその逆数である。qが有理数となる磁気面は有理面と呼ばれ、MHD不安定性の発生点となる。

トカマク運転では通常q95 > 3を維持する。q0 < 1では内部キンクモードが、q95 < 2では外部キンクモードが不安定となる。磁気シアはqの径方向変化を表し、正のシアは多くの不安定性を抑制する。

有理面近傍でプラズマの有限抵抗により磁力線のつなぎ換えが起こり、磁気島が形成される。島内で圧力が平坦化し、閉じ込めが局所的に劣化する。

ネオクラシカルテアリングモード(NTM)は、ブートストラップ電流の欠損が駆動する不安定性である。磁気島がブートストラップ電流を減少させ、それが島をさらに成長させる正のフィードバックが働く。制御には電子サイクロトロン電流駆動(ECCD)で欠損電流を補償する。

リミター配位は固体構造物で境界を規定するが、不純物制御が困難である。ダイバータ配位はX点を持つ磁場構造により排気領域を分離し、熱負荷制御と不純物排出に優れる。

シングルヌル配位が最も一般的で、ダブルヌルは熱負荷を分散できる。スノーフレーク配位は2次ヌル点により磁束拡大を実現し、スーパーXダイバータは外側脚を大半径方向に延長して熱負荷を低減する。

逆シア配位は中心部でqが極小値を持ち、内部輸送障壁(ITB)を形成して高い閉じ込め性能を実現する。ハイブリッドシナリオは中心部で平坦なqプロファイルを持ち、ソートゥース振動を回避しつつ良好な閉じ込めを維持する。

先進トカマクの目標は、ブートストラップ電流と外部電流駆動による完全非誘導運転である。