ステラレーター

1934年、マーク・オリファント、ポール・ハーテック、アーネスト・ラザフォードは、粒子加速器を用いて重水素原子核を重水素、リチウム、その他の元素を含む金属箔に衝突させることで、初めて核融合を起こした。 ^{[ 4 ]}これらの実験により、原子核間の様々な核融合反応の断面積を測定することができた。彼らは、三重水素-重水素反応が他のどの燃料よりも低いエネルギーで起こり、約10万電子ボルト（100 keV）でピークに達することを突き止めた。^{[ 5 ] [ a ]}  

100 keV は約 10 億ケルビン の温度に相当します。マックスウェル・ボルツマン統計で説明されているように、はるかに低い温度のバルクガスには、これらのエネルギーの粒子がまだ含まれています。核融合反応は非常に多くのエネルギーを放出するため、少数のそのような反応でも、ガスを必要な温度に維持するのに十分なエネルギーを放出することができます。1944 年、エンリコ・フェルミは、これが約 5000万摂氏というバルク温度で発生し、既存の実験システムの範囲内であることを実証しました。重要な問題はプラズマを閉じ込めることでした。そのような温度に耐えられる物質容器はありませんでした。しかし、プラズマは電気伝導性があり、電場と磁場にさらされます。^{[ 6 ]}  

磁場中では、プラズマの電子と原子核は磁力線の周りを回ります。プラズマを閉じ込める方法の1つは、ソレノイドの開いたコアの中に燃料のチューブを配置することです。ソレノイドは中心に磁力線を生成し、燃料はこれらの磁力線の周りを回ることによって壁から離れた位置に保持されます。しかし、このような配置では、チューブの長さに沿ってプラズマを閉じ込めることはできません。明らかな解決策は、チューブをトーラス（ドーナツ）の形に曲げて、どの磁力線も円を形成し、粒子が永遠に円を描いて回り続けることができるようにすることです。^{[ 7 ]}

しかし、純粋に幾何学的な理由から、トーラスを囲む磁石は内側の曲線、つまり「ドーナツの穴」の内側でより密集している。フェルミは、これにより電子が原子核から離れてドリフトし、最終的に大きな電圧が発生すると指摘した。結果として生じる電場により、トーラス内部のプラズマリングが膨張し、原子炉の壁に衝突する。^{[ 7 ]}

第二次世界大戦後、研究者たちはプラズマを閉じ込める方法を検討し始めた。インペリアル・カレッジ・ロンドンのジョージ・パジェット・トムソンは、プラズマに電流を流す、現在zピンチとして知られるシステムを提案した。 ^{[ 8 ]}ローレンツ力により、この電流はプラズマを壁から引き離す磁場を生成する。これにより、外部磁石が不要になり、フェルミの問題を回避できる。1940年代後半までに、英国のさまざまなチームがこの技術を使用した小型実験装置をいくつか製作した。^{[ 8 ]}

ロナルド・リヒターはアルゼンチンに移住したドイツ人科学者だった。彼のサーモトロンは、加熱と閉じ込めに電気アークと機械的圧縮（音波）を利用した。彼はフアン・ペロンを説得して実験用原子炉の開発資金を出させた。ヒュームル計画として知られるこの計画は1951年に完了した。リヒターは他の研究者との意見の相違にもかかわらず、核融合が達成されたと確信していた。^{[ 9 ]}

アスペンへのスキー旅行の準備をしている最中、スピッツァーは父親から電話を受け、父親はニューヨーク・タイムズに掲載されたヒュームルに関する記事について言及した。^{[ 10 ]}スピッツァーは、このシステムは十分なエネルギーを供給できないため、実現不可能だと結論付けた。そして、彼は代替案を検討し始めた。ステラレーターのコンセプトは、スキーリフトに乗っているときに思いついた。^{[ 11 ] [ b ]}

彼のアプローチは、フェルミの懸念に対処するためにトーラスの幾何学的配置を変更することであった。トーラスの一方の端をもう一方の端に対してねじり、円ではなく8の字型の配置を形成することで、磁力線はトーラスの中心に近づいたり遠ざかったりする。これらの線を周回する粒子は、トーラスの短軸を横切って絶えず出入りし、一方の軌道の半分で上向きにドリフトし、もう一方の軌道で反転する。相殺は完全ではないが、これにより正味のドリフトが十分に減少し、燃料が必要な温度に達するまで十分に長く閉じ込められると考えられた。^{[ 12 ]}

プリンストン大学の秘密の研究室は、 1951年以降、水素爆弾に関する理論的研究を続けていた。スピッツァーは、星間プラズマに関する以前の研究実績から、このプログラムへの参加を要請された。^{[ 13 ]}

その後、スピッツァーは爆弾設計への興味を失い、エネルギー源としての核融合に注目するようになった。^{[ 14 ]}スピッツァーは、ステラレータの概念的基礎と潜在的な問題点を概説した一連の報告書を作成した。このシリーズは内容の深さで注目に値する。プラズマの加熱や不純物の処理に加え、プラズマの数学と安定性の詳細な分析も含まれていた。^{[ 15 ]}

スピッツァーは米国原子力委員会（AEC）に資金援助を求めるロビー活動を開始した。^{[ 15 ]}彼の計画は3つの段階からなり、それぞれが10年間にわたる前の段階の成功に依存していた。^{[ 16 ]}

• モデルAは、プラズマを生成できること、そしてその閉じ込め時間がトーラスよりも優れていることを実証する任務を負っていた。
• モデルBはプラズマを核融合温度まで加熱する。
• モデルCは大規模な核融合反応を起こそうと試みるだろう。^{[ 17 ]}

ほぼ同時期に、ジム・タックはオックスフォード大学のクラレンドン研究所で働いていた際にピンチの概念を知った。彼は最終的にロスアラモスに移り、そこで他の研究者たちにこの概念を紹介した。スピッツァーがステラレーターを推進していると聞いたタックは、ワシントンへ行き、ピンチ装置の建設を提案した。彼はスピッツァーの計画を「信じられないほど野心的」だと考えた。それにもかかわらず、スピッツァーには5万ドルの資金が提供されたが、タックには何も提供されなかった。^{[ 17 ]}

熱心な登山家であるスピッツァー^{[ c ]}は、 「目の前の仕事は山登りのように困難に思えた」ことから、 「プロジェクト・マッターホルン」という名前を提案した^{[ 18 ]} 。当初は2つのセクションが設置され、Sセクションはスピッツァーの下でステラレーターの開発に取り組み、Bセクションはウィーラーの下で爆弾の設計に取り組んだ^{[ d ]} 。スピッツァーは極秘のSセクションをかつてのウサギ小屋に設置した^{[ 19 ] 。}

その後、他の研究所も独自の資金獲得のために奔走し始めた。タックはロスアラモス国立研究所の裁量予算からパーパセイアトロンの資金をなんとか確保したが、ロスアラモス国立研究所、バークレー、オークリッジ国立研究所（ORNL）の他のチームも資金を求めていた。最終的に原子力委員会は、これらのプロジェクトのための新しい部門であるプロジェクト・シャーウッドを組織した。^{[ 20 ]}

スピッツァーはジェームズ・ヴァン・アレンをグループに招き、実験プログラムを立ち上げた。アレンは「卓上」装置から始めることを提案した。これがモデルAの設計につながり、1952年に建設が開始された。全長約350cmの5cmパイレックス管と、約1,000ガウスの磁石で 構成されている。^{[ 21 ]}この装置は1953年初頭に稼働を開始し、単純なトーラスよりも明らかに閉じ込め性能が向上していることを示した。^{[ 22 ]}  

このためモデルBが開発されたが、磁石の取り付けが不十分で、5万 ガウスの電流を流すと磁石が動いてしまうという問題があった。2番目の設計も同じ理由で失敗したが、この装置は数百キロボルトのX線を発生させ、良好な閉じ込め性能を示唆した。

次に登場したのは、オーム加熱を用いて約10万度に達したB-1である。^{[ 22 ]}この装置は、プラズマ中の不純物がプラズマを冷却する大きなX線を放出することを実証した。1956年、B-1は不純物を減らすために超高真空システムで再構築されたが、不純物の量が少なくても依然として問題となることがわかった。もう1つの影響は、加熱プロセス中、粒子はわずか数十分の1ミリ秒しか閉じ込められないのに対し、磁場をオフにすると、残った粒子は最大10ミリ秒閉じ込められるということだった。これはプラズマ内の「協同効果」によるものと考えられた。^{[ 23 ]}

B-2はB-1と似ていたが、パルス電力を使用してより高い磁気エネルギーに到達できるようにし、磁気ポンピングと呼ばれる第2の加熱システムを備えていた。この装置は超高真空システムを追加するように改造された。残念ながら、B-2はより長い閉じ込め時間を必要とするため、磁気ポンピングによる加熱はほとんど示さなかった。これは「平和のための原子力」ショーで展示された。^{[ 23 ]}しかし、加熱システムの改造により結合が増加し、加熱セクション内の温度が最高で実証された。1000  eV、約1200万K。^{[ 21 ] [ e ]}

B-64は1955年に完成し、基本的には大型のB-1でしたが、最大15,000 ガウスのパルスで駆動されました。この装置には、プラズマから不純物を取り除き、X線冷却効果を大幅に低減するダイバータが含まれていました。B-64は湾曲した端部に直線部分があり、角ばった外観をしていました。この外観から、「8の字の2乗」、「8の2乗」、または「64」というニックネームが付けられました。1956年に、この装置はチューブのねじれを取り除いて再組み立てされ、粒子が回転せずに移動できるようになりました。^{[ 24 ]}

1957年に完成したB-65は、「レーストラック」レイアウトを使用して構築されました。これは、装置の湾曲部分にらせんコイルを追加すると、結果として生じる磁場によってのみ回転を導入する磁場が発生するという観察に基づいています。この方法には、磁場にせん断が含まれるという利点もあり、これは安定性を向上させることが知られています。^{[ 24 ]}

同じく1957年に完成したB-3は、B-2を拡張したもので、超高真空と最大5万 ガウスのパルス閉じ込め、そして最長0.01秒の閉じ込め時間を実現できると予測されていた。

最後のBシリーズは1958年に完成したB-66で、基本的にはレーストラックレイアウトとB-3のより大きなサイズとエネルギーを組み合わせたものだった。^{[ 23 ]}

残念ながら、これらの大型装置は「ポンプアウト」現象を示しました。この現象により、プラズマのドリフト速度は古典理論が示唆するよりも高く、ボームの速度よりもはるかに高くなりました。B-3のドリフト速度は最悪の場合のボーム予測の3倍にも達し、数十マイクロ秒以上閉じ込めを維持することができませんでした。^{[ 24 ]}

1954年には早くもモデルCの設計が形になり始めていた。それは複数の加熱源とダイバータを備えた大きなレーストラックとして登場し、基本的には大型のB-66だった。建設は1958年に始まり、1961年に完成した。プラズマの短軸を間に調整することができた。5cmと7.5cm で、長さは1200cm  。トロイダル磁場コイルは通常35,000 ガウスで動作する。^{[ 24 ]}

モデルCが稼働を開始する頃には、大規模な核融合は実現しないだろうと理解されていた。磁力線を横切るイオン輸送は、古典理論が示唆するよりもはるかに高かった。磁場を大幅に強化してもこの問題はほとんど解決されず、閉じ込め時間も改善されなかった。プラズマの理論的理解に注目が集まった。1961年、メルビン・B・ゴットリーブがスピッツァーからマッターホルンを引き継ぎ、プロジェクトはプリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）と改名された。^{[ 19 ]}

継続的な実験により、装置は徐々に改良され、閉じ込め時間は最終的にボームの予測に匹敵するほどに増加した。時間の経過とともに、加熱システムの新しいバージョンによって温度が上昇した。特筆すべきは、1964年に小型粒子加速器が追加され、燃料イオンを磁場を越えるのに十分な高エネルギーまで加速し、既に内部にあるイオンと衝突したときに原子炉内にエネルギーを投入したことである。^{[ 19 ]}この中性粒子ビーム入射方法は、磁気閉じ込め核融合装置ではほぼ普遍的である。^{[ 25 ]}

モデルCはその歴史のほとんどをイオン輸送の研究に費やした。^{[ 19 ]}磁気システムの継続的な調整と新しい加熱方法の追加により、1969年にモデルCは最終的に電子温度400  eV、460万Kに達した。 ^{[ 26 ]}

ステラレータの設計は、簡素化された磁場配置を採用しながら、数多く開発された。モデルCは、閉じ込めコイルとらせんコイルを別々に用いた。一方、特にドイツの研究者たちは、よりシンプルな配置で同じ全体的な磁場構成を実現できることに気づいた。これが、トルサトロンまたはヘリオトロンと呼ばれる配置につながった。

これらの設計では、主磁場は「古典的な」ステラレータのらせん巻きの 1 つに似た単一のらせん磁石によって生成されます。必要な磁石は、はるかに大きい単一の磁石だけです。正味磁場を生成するために、らせん磁石の外側をポロイダル方向に走る 2 番目のコイルのセットが垂直磁場を生成し、それがらせん磁場と混合されます。結果として、ポロイダル磁石は一般的にはるかに小さく、内部に到達するために磁石間に十分なスペースが残るため、レイアウトがはるかに単純になります。^{[ 26 ] [ 27 ]}

全体の磁場は、局所磁場と同じ形状の独立した磁石によって生成できます。これにより、元のレイアウトのトロイダルコイルのように配置された複雑な磁石群が実現します。この設計の利点は、磁石が完全に独立しているため、1つが損傷してもシステム全体に影響を与えることなく個別に交換できることです。さらに、要素を交換することで全体の磁場レイアウトを再構成し、共通のものにすることも可能です。

1968年、ソ連の科学者たちは、特にT-3でのトカマク装置の実験結果を発表した。その結果は予想外だったため、懐疑論が広まった。これに対処するため、ソ連はイギリスの専門家を招き、装置のテストを行った。彼らのテストでは、ZETA原子炉用に開発されたレーザーシステムを使用して、ソ連が主張する電子温度1,000 eVを検証した。その後、世界中でトカマク建設の「まさに殺到」が起こった。^{[ 28 ]} 

当初、米国の研究所はこのニュースを無視し、スピッツァー宇宙望遠鏡は実験誤差だと一蹴した。しかし、特に英国の報告など、より多くの結果が明らかになるにつれ、プリンストン大学はステラレーターを擁護し、他のグループはトカマク建設のための資金を熱望した。1969年7月、ゴットリーブは考えを変え、モデルCをトカマク型に改造することを申し出た。同年12月には閉鎖され、翌年5月にシンメトリック・トカマク（ST）として再開された。

STはすぐにソ連の装置の性能に匹敵し、モデルCの結果を10倍以上も上回った。その後、PPPLは米国におけるトカマク方式の主要開発機関となり、様々な設計をテストするための装置を次々と開発した。 1975年に登場したプリンストン・ラージ・トーラスは、商用装置に必要な性能指標を迅速に達成し、より大型の装置とより強力な加熱システムによって、1980年代初頭には損益分岐点に達するだろうと広く信じられていた。

トカマクはピンチマシンの一種で、プラズマ中の電流の量において、以前の設計とは大きく異なります。安全係数またはqと呼ばれる一定の閾値を超えると、プラズマははるかに安定します。ZETAはqが約1/3で稼働していましたが、トカマクでの実験では、少なくとも1である必要があることが示されました。この規則に従ったマシンは、劇的に性能が向上しました。しかし、1980年代半ばになっても、核融合発電は依然として手の届かないものでした。新しいマシンの電流の量が増加し始めると、プラズマに新たな不安定性が現れました。これらは対処可能でしたが、超伝導磁石と巨大な閉じ込め容積を必要とする磁場のパワーを大幅に増加させることによってのみ対処できました。そのようなマシンのコストは非常に高額であったため、関係者は協力してITERプロジェクトを開始しました。

トカマク方式が頓挫するにつれ、ステラレータへの関心が再び高まった。^{[ 2 ]}これは、以前は知られていたものの、設計や製造が困難すぎると考えられていた複雑な磁石の建設を可能にする高度なコンピュータ支援計画ツールの開発と同時期であった。^{[ 29 ] [ 30 ]}

新しい材料と製造方法により、磁場の質とパワーが向上し、性能が向上しました。これらの概念を検証するために構築された新しい装置には、ドイツのヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）、米国のヘリカル対称実験（HSX）、日本の大型ヘリカル装置（ LHD）などがあります。W7XとLHDは超伝導磁気コイルを使用しています。

内部電流がないため、トカマクの不安定性の一部が解消され、同様の運転条件下ではステラレータはより安定する。トカマクのように電流による閉じ込め効果がないため、ステラレータでは一定の閉じ込め効果を得るために、より強力な磁石が必要となる。ステラレータは本質的に定常状態の装置であり、いくつかの工学的利点がある。

2023年、PPPLは主に市販の部品を使用して64万ドルの費用で実験装置を構築した。そのコアは、 9,920個の永久磁石を固定する3Dプリントされたナイロンシェルで囲まれたガラス真空チャンバーである。16個の電磁石がシェルを囲んでいる。^{[ 31 ]}

気体を加熱すると、その中の粒子のエネルギーが増加する。そのため、気体を数億度まで加熱すると、粒子の大部分が核融合に必要なエネルギーに達する。

マクスウェル・ボルツマン分布によれば、一部の反応ははるかに低い平均温度で必要なエネルギーに達する。核融合反応によって放出されるエネルギーは、反応を開始するために必要なエネルギーよりもはるかに大きいため、少数の反応でも周囲の燃料を加熱して核融合を起こすことができる。1944年、フェルミはD-T反応が約で自己持続的になると計算した。50,000,000 K  . ^{[ 52 ]}​​

数万度を超える温度に加熱された物質は電離し、プラズマを生成します。理想気体の法則によれば、あらゆる高温ガスと同様に、プラズマには内部圧力があり、膨張しようとします。^{[ 53 ]}核融合炉にとっての課題は、プラズマを閉じ込めておくことです。磁場の中では、電子と原子核は磁力線の周りを軌道運動し、磁場によって定義された領域に閉じ込められます。^{[ 54 ] [ 55 ]}

単純な閉じ込めシステムは、ソレノイドの開いたコア内にチューブを配置することで作ることができます。チューブを真空にしてからガスを充填し、プラズマになるまで加熱します。プラズマはチューブの壁に向かって外側に膨張し、チューブに沿って端に向かって移動しようとします。ソレノイドはチューブの中心に沿って走る磁力線を生成し、プラズマ粒子はこれらの磁力線の周りを軌道を描くため、側面への移動が阻止されます。しかし、この配置ではプラズマをチューブの長さに沿って閉じ込めることはできず、プラズマは端から流れ出す可能性があります。^{[ 56 ]}

一つの解決策は、チューブをトーラス（リングまたはドーナツ）の形に曲げることである。^{[ 56 ]}側面への動きは以前と同様に制限されたままであり、粒子は線に沿って自由に移動できるが、この場合はチューブの周りを循環する。しかし、フェルミが指摘したように、^{[ f ]}ソレノイドをリング状に曲げると、電気巻線は外側よりも内側で密になる。これによりチューブ全体に不均一な磁場が生じ、燃料が中心からドリフトする。電子とイオンは反対方向にドリフトするため、電荷分離と静電気力が生じ、最終的には磁力を凌駕する。このドリフトに対抗し、長期的な閉じ込めを実現するには、何らかの追加の力が必要となる。^{[ 7 ] [ 56 ]}

スピッツァーの重要な概念は、真空管の物理的な配置によってドリフトを相殺できるという点である。トーラスでは、磁場が強い管の内側の端にある粒子は上昇し、外側の粒子は下降する（またはその逆）。しかし、粒子を管の内側と外側で交互に移動させると、ドリフトは上昇と下降を交互に繰り返すため相殺される。相殺は完全ではなく、正味のドリフトは残るが、計算によると、ドリフトはプラズマを加熱するのに十分な時間閉じ込めるのに十分なほど低いことが示唆されている。^{[ 58 ]}

通常のトーラスの代わりに、スピッツァーの装置は基本的に半分に切断され、2つの半トーラスが作られる。そして、それらは開いた端の間に2つの直線部分で接続される。重要なのは、それらが交互に端に接続されることで、一方の右半分がもう一方の左半分に接続されるということである。結果として得られる設計は、上から見ると8の字に似ている。直線チューブは互いに貫通できないため、設計は平らにならず、両端のトーラスは傾ける必要があった。これは、ドリフトの相殺がさらに減少することを意味した。^{[ 59 ]}

ドリフトに対抗するシステムの仕組みを理解するために、直線部分のいずれかから始まるシステム内の単一粒子の経路を考えてみましょう。その粒子がチューブの中心に完全に位置する場合、中心を下って半トーラスの1つに入り、次のチューブの中心に出て、これを繰り返します。この粒子は中心から離れることなくトーラス全体を一周します。次に、最初の粒子と平行に移動する別の粒子を考えますが、最初はチューブの内壁付近に位置します。この場合、半トーラスの外縁に入り、下方向にドリフトし始めます。その部分を出て、2番目の直線部分に入りますが、そのチューブの外縁にあります。しかし、チューブが交差しているため、2番目の半トーラスに到達すると、内縁から入り、上方向にドリフトします。^{[ 60 ]}

ドリフトには他にも原因があります。プラズマ中のイオンと電子はどちらも磁力線に沿って回転しますが、高速回転で反対方向に動きます。このため、原子炉内を通過する際に異なる磁力線に沿って回転する粒子同士が衝突する可能性があり、純粋に幾何学的な理由から、燃料がゆっくりと外側にドリフトします。このプロセスにより、最終的に燃料が構造物に衝突するか、イオンと電子の間に大きな電荷分離が生じます。スピッツァーは、プラズマの最外層を引き剥がすためにチューブの周囲に配置された磁石であるダイバータの概念を導入しました。これにより、イオンが遠くまでドリフトして壁に衝突する前に除去されます。また、より重い元素も除去されます。^{[ 61 ]}

古典的な計算では、衝突による拡散速度は、通常のトロイド内の不均一な磁場によるドリフトよりもはるかに低いほど低かった。しかし、1949年に行われた磁気閉じ込めプラズマの研究では、はるかに高い損失が実証され、ボーム拡散として知られるようになった。この問題を検討した後、スピッツァーは、ボームが観測した異常な速度はプラズマの不安定性によるものであり、対処可能だと結論付けた。^{[ 62 ]}

大きな懸念事項の 1 つは、磁場が特定の質量で特定の速度で移動する粒子のみを適切に閉じ込めるということです。それより速くまたは遅く移動する粒子は、望ましい方法で循環しません。低速 (低温) の粒子は閉じ込められず、ドリフトする可能性があります。高温の粒子は、湾曲部の外壁に衝突する可能性があります。これらの懸念に対処するために、スピッツァーは直線部の 1 つに接続されたダイバータの概念を導入しました。これは基本的に質量分析計であり、速すぎるまたは遅すぎる粒子を除去します。^{[ 61 ]}

2つの直線部分が交差しないという要件があるため、回転変換は通常約135度になります。このため、角度を180度に近づけようとする代替設計が考案されました。初期の試みの一つであるB-2では、曲線部分を地面に対して水平に配置しましたが、高さは異なっていました。直線部分には約45度の曲線が2つ追加され、拡張されたS字型を形成しました。これにより、角度の対称性を保ちながら、互いに迂回するルートが実現しました。

B-64とB-65では、交差部がなくなり、装置が楕円形の「レーストラック」のような形状に平坦化された。粒子回転は、両端の半トーラス上に新しい磁気コイル（らせん状の巻き線）を配置することで導入された。これらのコイルからの磁場は閉じ込め磁場と混合し、磁力線を180度回転させる混合磁場を生成する。これにより原子炉の機械設計は大幅に簡素化されたが、実際には完全に左右対称な混合磁場を生成することは困難であることが判明した。

ステラレータの設計では、一般的に、より複雑な磁石を用いて、ねじれたリボンのような形状の単一の磁場を生成する。設計上の違いは主に磁石の配置に関するものであり、それが結果として生じる磁場を左右する。

Zピンチ型装置やトカマク型装置とは異なり、ステラレータではプラズマ内に誘導電流が発生しません。巨視的なレベルでは、プラズマは中性で静止していますが、内部の個々の粒子は循環しています。ピンチ型装置では、電流は主要な加熱方法の一つです。ステラレータにはそのような加熱源はありません。

初期のステラレータ設計では、電流ベースの初期加熱が用いられていました。これは、変圧器からの単一の巻線セットと、プラズマ自体が二次的な巻線セットを形成する構成でした。電流パルスで励磁されると、その領域の粒子が加熱されて動き始めます。これにより、さらにガスが領域内に引き込まれ、加熱されます。この概念は、熱を発生させるためにガスの抵抗に依存していたため、オーム加熱と呼ばれていました。ガスの温度が上昇すると、プラズマの伝導率が向上します。これにより、オーム加熱の効率が低下し、温度は約 100 万ケルビンに制限されます。^{[ 63 ]}

より高い温度に到達するために、スピッツァーは第2の熱源である磁気ポンプシステムを提案した。これは、真空チャンバーに沿って配置されたコイルを通して供給される高周波源から構成される。その周波数は、磁力線の周りの粒子の固有振動数、サイクロトロン周波数に似ている。その領域の粒子はエネルギーを得て、軌道半径が増加する。他の粒子も近くで自身の磁力線を周回しているため、巨視的なレベルでは、このエネルギーの変化は圧力の増加として現れる。^{[ 61 ]}理想気体の法則によれば、これは温度の上昇につながる。オーム加熱と同様に、このプロセスも温度が上昇するにつれて効率が低下する。イオンサイクロトロン共鳴加熱は、周波数をイオン循環の周波数に近づける。^{[ 64 ]}

1970年代初頭、ゼネラル・アトミックスの大川 智弘は、アスペクト比の小さいトロイドと非円形プラズマが性能を向上させることを示した。 ^{[ 65 ]}アスペクト比は、装置全体の半径と真空管の断面半径を比較したものである。理想的な原子炉は、中央の穴を小さくすることでこの比率を最小化する。比率が1.3である英国のMASTのような現代の球形トカマクは、単一の金属柱の周りを垂直方向にチューブを伸ばすことでほぼ球形を実現している。^{[ 66 ]}ステラレータは、磁場を整形するために複雑な磁石を必要とし、当初は積み重ねたセットを使用していた。現代のシステムはこれらを組み合わせているが、それでもかなりのスペースが必要であり、結果としてトカマクよりも大きな内径と高いアスペクト比となる。例えば、W7-Xの比率は10である。^{[ 67 ]}新しい設計ではこの比率を下げることを目指しているが、2023年時点ではテストされておらず、トカマクのレベルをはるかに上回っている。^{[ 68 ]} 2025年には、新しい低アスペクト比設計により比率を6に下げ、サイズを30%削減できるというシミュレーション結果が出ている。^{[ 69 ]}

生産用ステラレータは、リチウムを含む厚さ 1〜1.5 m の増殖ブランケットを使用して、磁石を 14.1 MeV の中性子から遮蔽する必要があります。^{[ 70 ]}これにより、磁石とプラズマとの距離が大きくなり、真空チャンバーに磁石が並んでいる設計よりも強力な磁場が必要になります。これを補うために、ステラレータは大型化され、分離距離は 10 cm から 1 m に拡大されます。^{[ 70 ]}半径 8 m、アスペクト比 4.6 の ARIES-CS のような設計は、依然として大きすぎます。^{[ 71 ]}複雑な磁石は、1.5 mm という厳しい許容誤差で精密な位置決めを必要とします。

低アスペクト比設計の国立小型ステラレータ実験（NCSX）は、部品のたわみが限界を超えたため、達成不可能な公差のため2008年に中止されました。^{[ 72 ]} 2025年には、3Dプリントされた磁石サポートにより、プロトタイプテストでアライメントエラーが20%削減されました。^{[ 73 ]}

ステラレータではアルファ粒子の約5%が漏洩し、プラズマに面するコンポーネントに負荷がかかる。^{[ 74 ]}