磁場閉じ込め方式核融合炉
磁場閉じ込め方式の概要
磁場閉じ込め型核融合炉の一つ、ドイツの「ヴェンデルシュタイン7-X」
磁場閉じ込め核融合ではプラズマを超伝導コイルの磁場によって保持し、そのプラズマを加熱しつつ、そこで核融合反応を引き起こすという方式です。電荷を帯びた粒子である荷電粒子は磁力線に沿って巻き付くように螺旋運動するという特徴があります。これはラーモア運動（Larmor Precession）やサイクロトロン運動（Cyclotron Motion）と呼ばれるものですが、この性質を利用して磁場でプラズマを閉じ込めようというものです。
磁場閉じ込め型ではプラズマを閉じ込めるための「超伝導コイル」、そのプラズマを加熱するための「加熱装置」、プラズマから不純物を除去する「ダイバーター」、プラズマを囲い、放射線を遮蔽し、燃料の生産も行う「炉壁・ブランケット」等で構成されています。
それでは磁場閉じ込め核融合炉の主な構成要素の一部を見てみましょう。
超伝導コイル
超伝導コイルではその磁場によってプラズマを閉じ込め、核融合反応を持続させる環境がつくられます。そして「超伝導（Superconductivity）」とは物質の「相」の一つであり、超低温の環境下で電気抵抗がゼロになる現象です。しかし何故、超高温の環境を作り出す核融合炉で超低温の超伝導技術が使われるのでしょうか。それは将来核融合炉を発電用エネルギーとして実用化した時、プラズマを維持するコイルの消費電力を抑えるためです。超伝導状態にするには冷凍機を使い、クライオスタットと呼ばれる真空容器で極低温を維持する必要がありますが、コイルの電気抵抗がゼロになることで核融合炉の運転に必要なエネルギーを大幅に減らすことができるのです。
加熱装置
磁場閉じ込め核融合炉では超電導コイルの磁場の「閉じ込め」によってプラズマが保持されますが、そのプラズマの温度を上げて核融合反応が起きるエネルギーにまで到達させる「加熱」も必要になります。プラズマの加熱には、ジュール加熱、中性粒子ビーム加熱、高周波加熱など複数の方式があります。
ジュール加熱
ジュール加熱においてはプラズマに電流を流し、そのプラズマ自身の電気抵抗を利用した「ジュール熱（Joule Heat）」により加熱を行います。プラズマは電気を流しやすい性質がある一方、電気抵抗も持つため、電気コンロのニクロム線に電流を流した時のように発熱するのです。しかしプラズマが高温になるにつれて電気抵抗は小さくなっていくためジュール加熱には限界があり、後述する別の加熱方法と併用して利用されます。
中性粒子ビーム加熱
中性粒子ビームを用いた加熱は「NBI（Neutral Beam Injection）加熱」と呼ばれており、イオン源によって生成したイオンを高エネルギーに加速し、プラズマに入射させることで加熱しようというものです。しかしイオンは電荷を帯びた粒子であるため、プラズマを閉じ込めている超電導コイルの強力な磁場と相互作用を起こしてそのイオンビームが曲げられてしまい、プラズマ内部に到達させることができません。そのため、中性化セルと呼ばれる部分でイオンビームを電気的にプラスでもマイナスでもない中性粒子ビームに変換した上でプラズマに到達させています。
NBIにおいて、従来までは最初に電子を剥ぎ取られた状態の正イオンを生成・加速し、そこに電子を付着させて中性化する方式が利用されていましたが、出力が高くなるにつれてビームが中性化される効率を示す、中性化効率が著しく下がってしまうという問題がありました。そこで最初に余分な電子を付着させた状態の負イオンを生成・加速し、そこから電子を剥ぎ取って中性化する方式が考えられました。負イオンの精製方法としては、高温電子でプラズマを作り出した後、低速電子（熱電子）を付着させるというタンデム型イオン源などが利用されます。負イオン源から出た負イオンは静電加速器で加速された後、電子を剥ぎ取るための薄膜やガスで満たされた中性化セルを通過して、核融合炉内のプラズマへと入射されます。
高周波加熱
高周波を用いた加熱は「RF（Radio Frequency）加熱」と呼ばれており、高周波のエネルギーをプラズマに吸収させて加熱するという、一般家庭にもある電子レンジと同じ原理の加熱を行います。電子サイクロトロン共鳴（ECH：Electron Cyclotron Resonance）と呼ばれる方式で、核融合炉で用いられている強力な磁場に合わせた約100ギガヘルツの高周波を入射させると、プラズマの中の電子と共鳴して加熱されます。電子の運動エネルギーと入射させる高周波の周波数が合わないと共鳴はおきず、高周波はそのまま素通りしてしまいますので、プラズマ中の加熱したい場所に応じて周波数や入射角度を制御することで最適な加熱を行います。
ダイバーター
重水素とトリチウムの核融合反応が起きるとプラズマ内でヘリウム4の原子核が作り出されます。またプラズマの影響などにより核融合炉の内壁表面の物質がプラズマに混じってくることがあります。プラズマの中にこうした燃料以外の不純物が多く混じってくるとプラズマのエネルギーが不純物に奪われて維持できなくなってしまうという問題があります。それを防ぐためにダイバーター（Diverter）と呼ばれる部分ではプラズマを引き出してきて、そこから不純物を取り除いています。ダイバーターは後述する炉壁・ブランケット部分と共にプラズマ対向機器（PFC：Plasma facing component）の一つであり、放射線と高温の状態に曝されることになります。やかんに入れた水をほんの一瞬で沸騰させてしまう程の熱環境にあり、この条件に耐えうる材料が必要になります。
炉壁・ブランケット
核融合炉の内壁部分は、発生する放射線の遮蔽、リチウムから核融合燃料となるトリチウムの生産、発生したエネルギーを熱として核融合炉の外へ伝えていくエネルギー輸送の媒体、という3つの役割を担っています。重水素とトリチウムによるDT核融合反応で生じるエネルギーの8割は、高速中性子の運動エネルギーとして発生します。また、ブランケットにはリチウムが含まれており、このリチウムによって高速中性子の運動エネルギーが減速されて奪われる時と、中性子がリチウムの原子核に吸収されてトリチウムが生み出される時に大きな熱エネルギーを生み出します。この熱を外部に輸送し、発電に利用するのです。こうして中性子からエネルギーを取り出しつつ、燃料となるトリチウムを生産すると同時に、放射線を遮蔽する役割を果たすことになり、これによって放射線が外部に漏れないようになっています。
トリチウムは中性子を吸収したリチウム6によって生産されますが、核融合によって発生した中性子1個に対して生成されるトリチウムの数の比を「トリチウム増殖比（TBR：Tritium Breeding Ratio）」と呼びます。トリチウム増殖比が1未満になると燃料は使うほど減る事になり、いつかは尽きてしまいます。核融合炉自らが使う燃料を生産しつつ、新たに建設される核融合炉の燃料も生産しなければならないため、トリチウム増殖比は少なくとも1.1程度にしなければなりません。しかし核融合で発生した中性子の全てがトリチウムの生産に役立つわけではありません。発生した中性子の一部は他の構造材に吸収されてしまったり、リチウム6のブランケットが設置されていない方向へ飛んでいくためです。そうした状態ではトリチウム増殖比は1未満になってしまいます。
増殖比を十分に増やすためには、反応にエネルギーを消費する吸熱反応ではあるものの、リチウム7に中性子を吸収させてトリチウムと同時に中性子も生成させるという方法のほか、ベリリウムや鉛に中性子を1つ照射すると、2つの中性子を放出するという（n,2n）反応を利用する方法を用いて中性子の数を増やします。核融合炉のブランケットで局所的にこうした中性子の増倍を利用することで、核融合炉全体のトリチウム増殖比を1以上にするのです。
ブランケット内のリチウムは固体の状態で配置しておく方法と、液体にしてブランケットを循環させる方法が挙げられます。液体にしておくと核融合炉から得た熱エネルギーを外部へと輸送する熱輸送媒体を兼ねることができるため、発電システムとしての構造をコンパクトにできる可能性があります。他にも熱輸送媒体としては化学的に安定で安全性の高いヘリウムガス冷却、高い熱輸送能力を持つ液体金属冷却、超臨界軽水冷却などが挙げられています。
様々な磁場閉じ込め方式
トカマク型核融合炉
1950年代初頭にロシアで開発され、現在に至るまで核融合炉の主流な形式として世界中で研究開発が行われているタイプです。トカマクという名はロシア語を由来としており、円環（Toroidal）、電流（Tok）、容器（Kamepa）、磁場（Magniyunne）、コイル（Katushuki）の頭文字を取っています。
トカマク型では核融合反応を引き起こすプラズマを磁場によってトーラス状（ドーナツ型）に保持しています。しかし単純にコイルを使ってトーラス状にプラズマを保持するだけでは磁場にムラが生じてしまいます。内側ほど磁界が強くなるのに対し、外側では磁界が弱くなってしまうからです。この状態では内側から外側に向かってプラズマを構成するイオンや電子が動いてしまい、プラズマが大きく外側に拡大して保持できなくなります。そのためこのプラズマを保持するための磁力線をねじって巻き付かせる事で、磁場の強弱の差を埋めて無くしてしまう方法が取られています。
このねじれた磁力線を作り出すために、ポロイダルコイルとトロイダルコイルの二種類の電磁石が利用されます。電子尺による磁場によって保持されるプラズマの形は、トーラス状の核融合炉の内側の壁面からプラズマの中心までの距離を大半径、そのプラズマの中心からプラズマその外側であるプラズマ境界までの距離を小半径と呼んでいます。
このトカマク型としては日本の「JT-60SA」や、国際共同の「ITER」が挙げられます。「JT-60」は日本原子力研究開発機構（JAEA）が保有するトカマク型核融合実験装置で、臨界プラズマ条件を達成させることを目的として開発されました。
「ITER」は将来の核融合炉において必須となる自己点火条件の達成と長時間熱核燃焼の実証と共に核融合炉に必要な工学技術の実証を行います。ITER計画のきっかけは1985年に話し合われた旧ソ連とアメリカによる核融合の国際協力でした。この後、日本や欧州連合を含めた国際協力の中で設計が行われ、2005年にフランス、カダラッシュへの建設が決定しました。ITERは核融合出力500メガワットを目指しています。
ヘリカル型核融合炉
ヘリカル型はステラレータとも呼ばれています。ヘリカル型はトカマク型と比較して、磁場のねじり方が違うのが特徴の一つです。ヘリカル型はそのコイルの配置の仕方で「トルサトロン」、「ヘリオトロン」、「ヘリアック」、「ヘリアス」など様々な名称をもつ方式が考案されました。
ヘリカル型もトカマク型と同様に、トーラス状のプラズマを維持するために螺旋にねじる方式を用いていますが、ヘリカル型の特徴としては磁場を維持するためのコイルの配置自体をねじっておきます。トカマク型が螺旋状の磁場を維持するのにプラズマに流れる電流を利用するのに対して、プラズマが突然崩壊するディスラプションと呼ばれる現象が起きづらいというメリットがあります。一方でコイルの配置や制御を非常に精度よく行う必要があり、開発された当初はボーム拡散と呼ばれる現象によってプラズマの閉じ込め性能が思った程確保できないという問題が生じました。これは制御技術の進歩により次第に克服され、安定した運転を持続できるようになりました。
このタイプとしては、日本の「LHD」やドイツの「ヴェンデルシュタイン7」などが挙げられます。「LHD」は自然科学研究機構が保有するヘリカル型核融合実験装置で1998年10月から実験が行われています。「LHD」におけるプラズマの加熱には中性粒子加熱装置（NBI）の他、プラズマ中のイオンを約40メガヘルツのマイクロ波で加熱するイオンサイクロトロン共鳴加熱装置、電子を約80ギガヘルツのミリ波で加熱する電子サイクロトロン共鳴加熱装置が備えられています。
逆磁場ピンチ型核融合炉
プラズマを閉じ込める磁場をプラズマ自身が作り出す方式です。トカマクの仲間とも言える内部電流による軸対称トーラス型と呼ばれるタイプです。トカマク型との大きな違いは、トーラス状のプラズマに大電流を流し、そのプラズマ電流によって円周方向のポロイダル磁場が作られます。そして、プラズマを取り囲むトロイダルコイルによって作られるトロイダル磁場と共に螺旋状のヘリカル磁場を形成し、これによってプラズマが閉込められるという仕組みです。こうした状態で生じるプラズマでは、磁場の向きが中心部分と周辺部分とで逆になる性質を持ちます。これが磁場逆転ピンチ、RFPと呼ばれるものです。
トカマク型ではトロイダル磁場がプラズマのポロイダル磁場よりも10倍程大きくされますが、逆磁場ピンチ型ではトロイダル磁場とポロイダル磁場が同じくらいで済みます。トロイダルコイルの磁場が小さくてもプラズマ電流を大きく取れるため、経済性も良くなります。
磁場逆転ピンチ型ではプラズマの中心部分と周辺部分で磁場の向きが逆になっているため、磁力線のねじれが相対的に大きくなります。これにより圧力の高いプラズマでも安定して閉じ込めることができるのです。そのためトカマク型のように外部からの高周波や中性粒子を用いた加熱を行わずとも、電気抵抗によるジュール熱のみでプラズマを加熱しやすいと言われています。
スフェロマック型核融合炉
トカマク型や磁場逆転ピンチ型とは異なり、中心軸に機器が存在しない球体であることが特徴です。プラズマが存在する部分の制限が少なく、また構造がシンプルで経済的にも安くできるのではないかと期待が寄せられています。
スフェロマック型の特徴は逆磁場ピンチ型と同じく、プラズマの形成が自己的に行われることにあります。また、プラズマを閉じ込める磁界のうち、ポロイダル磁界とトロイダル磁界の両方をプラズマの自己電流によって作り出しています。プラズマ自らが磁力線を横切る時に生み出す電流がさらに新しい磁界を生み出すことになり、これによってプラズマが維持されるのです。
このスフェロマックの生成は、球体の中心部から生み出された磁力線がキンク不安定性とよばれる現象によって螺旋状に捻られ、それが自らの電流によって磁束が大きくなり、螺旋の直径がある程度まで大きくなった所で磁気リコネクション（再結合）とよばれる現象で、螺旋状だった磁力線がドーナツ状に変化するという過程を経ます。
ミラー型核融合炉
ミラー型は核融合炉研究の黎明期から考えられている方式です。向かい合わせた2個の円形のコイルに電流を流し、コイルの間に発生する磁力線の中にプラズマを閉じ込めるというものです。コイルの間のプラズマを閉じ込める部分は磁力線が若干ふくらんだ形状となり、コイルに近づくほど磁界が強くなって縮んだ形状となります。プラズマが逃げ出そうとコイルに近づくほど中心部へ反射されやすくなるため、閉じ込められるというものです。磁気による反射を利用しているため、ミラー型と呼ばれています。
ミラー型にも複数の種類が存在しており、最も基本的な形状である単純ミラー磁場ではプラズマが両端から逃げ出してしまうことがあります。これはMHD不安定性と呼ばれており、プラズマの閉じ込め性能を向上させるためにタンデムミラー磁場、極小ミラー磁場などが開発されました。タンデムミラー磁場では中央部の磁気ミラーの両端にさらにプラグ部と呼ばれる磁気ミラーを設置し、中央部から流出しようとするプラズマを追い返すようにしています。日本のプラズマ実験装置「GAMMA-10」もこのタンデムミラー磁場を利用しています。
極小ミラー磁場ではベースボール型、もしくは陰陽（いんやん）型と呼ばれるコイルに電流を流すことで、磁場が中心部で最も弱く、外側に近づくほど強くなるという磁場の分布が作れます。この場合中心部からプラズマが逃げ出そうと移動しても、移動するほど強い磁場にせき止められるため、プラズマが安定して保持されることになります。
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