大型螺旋装置（LHD）

大型螺旋装置（LHD：Large Helical Device）是岐阜县土岐市的核聚变科学研究所（NIFS）运营的世界最大的 heliotron 型装置。自 1998 年首次等离子体以来，引领 stellarator/heliotron 研究。

装置概要

LHD 采用 L=2、M=10 的 heliotron 配置，2 根连续螺旋线圈缠绕托拉斯 10 周形成封闭磁场。主要参数大半径 3.9 m（可变 3.6-4.1 m）、平均小半径 0.6 m、等离子体体积 30 立方米、最大磁场 3 T。

超导螺旋线圈使用 NbTi/Cu 复合导体，在 4.4 K 运行。1 个线圈约 28 km 的导体卷绕 450 匝，运行电流 11.4 kA，蓄积能量两线圈合计约 0.76 GJ。3 对 6 个极向线圈可以调整磁轴位置，内侧偏移配置（3.6 m）可实现良好封闭，外侧偏移（3.9 m）可进行大体积运行。

等离子体加热系统

NBI 由负离子源 2 系统（各 6 MW、180 keV）和正离子源 2 系统（各 6 MW、40 keV）构成，合计供应约 24 MW。ECH 由 77-84 GHz 的回旋管 9 根约 5 MW，ICRF 在 25-100 MHz 约 3 MW，总加热功率最大约 30 MW 是世界最高水平。

世界记录的达成

2017 年重氢实验中实现了离子温度 1 亿 2000 万度（约 10 keV），作为 heliotron 配置首次实现了核聚变点火条件的温度。电子密度在 Super Dense Core 模式达到 1.2 x 10^21 /立方米创世界纪录。稳态运行中成功维持等离子体 47 分 38 秒，实证了总加热能量 3.36 GJ。体积平均贝塔实现了 5%。

重氢实验和同位体效果

2017 年 3 月开始的重氢实验是日本核聚变研究中的划时代进步。与氢等离子体相比能量封闭时间改善，同位体标度指数测定为 0.2-0.4。D-D 反应引起的中子发生伴随研究推进，在氚管理中针对年生成量约 37 GBq 进行了 1.5 TBq 以下的环境释放管理。

对 stellarator 物理的贡献

LHD 对 3 次元磁场配置特有的物理现象阐明有贡献。径向电场的自发形成中，观察到电子路径（正电场）和离子路径（负电场）的转变。自举电流最大约 50 kA，对旋转变换的影响约 10%。为国际 stellarator 标度 ISS04 的构筑提供了重要数据，封闭改善因子达到 1.0-1.5。

未来炉 FFHR 的展望

NIFS 推进 helical 型核聚变炉 FFHR 的概念设计。FFHR-d1 目标大半径 15.6 m、核聚变输出 3 GW、电力输出 1 GW，紧凑版 FFHR-c1 假设大半径 10.4 m、电力输出 0.3 GW。heliotron 方式不需要等离子体电流，因此对炉子重要的稳态运行和破裂自由优点。采用高温超导体线圈也在研究中，REBCO 导体可以实现冷却系统的大幅简化。

LHD 通过四分之一世纪的运行实绩，证明了 stellarator 方式的效用，指明了未来核聚变能量实现的道路。