逆フィールドピンチ

逆転磁場ピンチ（RFP ）は、近熱核融合プラズマを生成して閉じ込めるために使用される装置である。これは、主に磁気閉じ込め核融合を研究するために、プラズマを磁気的に閉じ込める方式として独自の磁場構成を使用するトロイダルピンチである。その磁気形状は、トカマクのものと多少異なる。半径方向に移動すると、トロイダル方向を向いている磁場の一部が方向を反転するため、逆転磁場と呼ばれる。この構成は、同様の電力密度のトカマクよりも比較的低い磁場で維持できる。この構成の欠点の1つは、非線形効果と乱流の影響を受けやすい傾向があることである。このため、非理想的（抵抗性）磁気流体力学を研究するための有用なシステムとなっている。RFPは、多くの共通の特徴を共有する 天体物理学的プラズマの研究にも使用される。

現在稼働中の最大の逆磁場ピンチ装置は、イタリアのパドヴァにあるRFX (R/a = 2/0.46)です。他には、米国のMST (R/a = 1.5/0.5)、スウェーデンの EXTRAP T2R (R/a = 1.24/0.18)、日本の RELAX (R/a = 0.51/0.25)、中国の KTX (R/a = 1.4/0.4) などがあります。

トカマクでは、トロイダル方向の磁場がポロイダル方向の磁場よりはるかに大きいのに対し、RFP では両方向の磁場強度は同等です (ただし、トロイダル磁場の符号は反転します)。さらに、一般的な RFP の磁場強度は、同等のトカマクの約半分から 10 分の 1 です。RFP では、ダイナモ効果によって磁石からの磁場を強化するためにプラズマ内の駆動電流も利用しています。

逆磁場ピンチは最小エネルギーの状態に向かって作用します。

磁力線は中心のトーラスの周りに緩く巻き付いています。外側に向かって巻き付いています。プラズマの端の近くでは、トロイダル磁場が反転し、磁力線は逆方向に巻き付いています。

内部磁場は磁石の磁場よりも大きくなります。

RFP には、潜在的な核融合炉として有望な構成となる多くの特徴があります。

1. 超伝導磁石:
   • RFP は超伝導磁石を必要としない可能性があり、トカマクに比べて大きな利点があります。
   • 超伝導磁石は繊細かつ高価であり、中性子が豊富な核融合環境から保護する必要があります。
2. 磁気コイルとしてのシェル:
   • Madison Symmetric Torusのような一部の RFP 実験では、ぴったりとフィットするシェルを磁気コイルとして使用します。
   • シェル自体に電流を流すことは、リアクターの設計にとって魅力的です。
   • 固体銅シェルは、超伝導磁石と比較して、高エネルギー中性子に対して堅牢である可能性があります。
3. 表面不安定性:
   • RFP は表面の不安定性の影響を受けやすいため、ぴったりとフィットするシェルが必要になります。
4. ベータ制限:
   • RFP にはベータ制限は設定されていません。
5. 発火可能性:
   • 逆磁場ピンチにより、抵抗力のみで点火が達成される可能性があります。
   • これには、プラズマに電流を流し、電子サイクロトロン共鳴ではなく電気抵抗から熱を発生させることが含まれており、トカマクに比べて原子炉の設計が簡素化される可能性があります。
   • ただし、定常状態で動作しない場合があります。

RFP 原子炉の開発には、いくつかの重要な領域で課題があります。研究者たちは、これらの問題の解決に積極的に取り組んでいます。

• 電流駆動メカニズム:現在の RFP デバイスは、抵抗電流駆動と呼ばれる方法に依存していますが、これには限界があります。研究者は、効率と制御を向上させるために、代替の電流駆動技術を研究しています。
• ティアリング モードの緩和: RFP プラズマはティアリング モードの影響を受けやすく、パフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。これらのモードをアクティブに制御する方法の開発は、安定したプラズマの閉じ込めを実現するために不可欠です。
• プラズマ閉じ込めの最適化:現在の RFP 装置は、トカマク装置に比べてプラズマ閉じ込め時間が短くなっています。マディソン対称トーラス(MST)などのプロジェクトを通じて装置サイズの影響を調査するなど、RFP でのプラズマ閉じ込めを最適化するための研究が進行中です。
• シェル設計の考慮事項: RFP 設計では、プラズマの近くに導電性シェルを配置する必要があり、これがリアクター設計の技術的課題となります。研究では、シェル構成を最適化して性能と実用性のバランスを取ることに重点が置かれています。
• プラズマ制御システムの保守戦略:特定の RFP 設計では、プラズマ制御に複雑なコイル システムを使用します。これらのコイルは高温のプラズマ環境に近接しているため、長期的な機能性を保証するために堅牢な保守戦略の開発が必要です。

逆転磁場ピンチは、物理学の観点からも興味深いものです。逆転磁場ピンチのダイナミクスは、非常に乱流的です。また、逆転磁場ピンチは、多くの天体と同様に、強力なプラズマダイナモを示します。基礎プラズマ科学は、逆転磁場ピンチ研究のもう 1 つの重要な側面です。

• ドミニク・フランク・エスカンデ

• RFX: 逆フィールド実験
• 静電電子エネルギー分析装置による逆磁場ピンチ実験における超熱電子流と温度の測定