ヘリカル型

ヘリカル型核融合炉：トカマク型に続く革新的技術

核融合エネルギー実現に向けた研究開発において、トカマク型は主要な磁場閉じ込め方式として広く知られています。しかし、その一方で、ヘリカル型と呼ばれる別の方式も存在し、近年注目を集めています。本稿では、ヘリカル型核融合炉の仕組み、特徴、長所と短所、そしてその歴史的背景について詳細に解説します。

トカマク型との比較：異なる磁場生成の仕組み

トカマク型では、ドーナツ状のプラズマを閉じ込めるために、トロイダルコイルとプラズマ電流の両方を用いて磁場を生成します。一方、ヘリカル型は、その名の通り、らせん状（ヘリカル）のコイルに電流を流すことで磁場を生成するという点が大きな違いです。このヘリカルコイルによって作られる複雑な磁場構造が、プラズマを効果的に閉じ込めます。

ヘリカル型のメリット：定常運転と高効率性

ヘリカル型には、いくつかの利点があります。まず、真空容器の外側に設置されたコイルだけで磁場を生成できるため、プラズマ自体に電流を流す必要がありません。このため、トカマク型で課題となるプラズマの不安定性である「ディスラプション」が原理的に発生しません。さらに、外部コイルによる磁場生成は、定常運転（長時間運転）を容易にします。プラズマに電流を流す必要がないことは、入力電力の削減にも繋がり、結果としてエネルギー利得（Q値）の向上に貢献します。

ヘリカル型特有の課題：複雑な設計とプラズマ損失

しかしながら、ヘリカル型にも課題は存在します。複雑な形状のヘリカルコイルの設計・製作は非常に困難であり、製造コストの上昇につながります。また、ヘリカル磁場構造は、高速のプラズマ粒子が磁力線を辿って漏れ出しやすいという性質も持っています。このプラズマ損失を抑制するための技術開発が、ヘリカル型の実用化において重要な課題となっています。さらに、プラズマ自身に電流が流れないため、プラズマ加熱の主要な手段であるオーミック加熱が利用できません。

代表的なヘリカル型装置：世界各地での研究開発

世界各国で、ヘリカル型核融合炉の研究開発が進められています。代表的な装置として、日本の核融合科学研究所にある大型ヘリカル装置（LHD）、ドイツのマックスプランク研究所にあるヴェンデルシュタイン7-Xなどが挙げられます。これら大型装置は、ヘリカル型方式の性能向上やプラズマ制御技術の確立に大きく貢献しています。他にも、日本の核融合科学研究所のCHS、京都大学エネルギー理工学研究所のHeliotron Jなど、様々な規模のヘリカル型装置が研究に利用されています。

ヘリカル型の歴史：ステラレータとヘリオトロンの誕生

ヘリカル型核融合炉の研究は、1950年代に遡ります。アメリカ合衆国のライマン・スピッツァーによるステラレータ方式と、日本の宇尾光治によるヘリオトロン方式が、ヘリカル型磁場配位の起源として挙げられます。両者は独立に開発され、ステラレータはプリンストン大学で、ヘリオトロンは京都大学を中心に研究が進められました。当初、ステラレータとヘリオトロンは、ヘリカル巻き線による閉じ込め方式という共通点から、ヘリカル型方式の総称として用いられていましたが、近年では、ステラレータとヘリオトロンという２つの方式の総称として用いられる機会が増えています。ステラレータはその後、古典的ステラレータ、トルサトロン、ヘリアック、ヘリアスといった様々なバリエーションが開発されました。一方、ヘリオトロンは一貫してヘリオトロン方式の改良、大型化が追求され、LHDの開発にも繋がっています。ステラレータとヘリオトロンは、それぞれ独自の進化を遂げながら、ヘリカル型核融合炉の研究開発を推進してきました。

まとめ：未来のエネルギー源としての可能性

ヘリカル型核融合炉は、トカマク型とは異なるアプローチで核融合エネルギーの実現を目指しています。その長所と短所を理解した上で、更なる技術革新が期待されます。世界各国での研究開発の進展により、ヘリカル型が将来のクリーンエネルギー社会に貢献する可能性は高く、今後の発展に注目が集まります。

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