Small Tight Aspect Ratio Tokamak

The Small Tight Aspect Ratio Tokamak (START) was a nuclear fusion experiment that used magnetic confinement to hold plasma. START was the first full-sized machine to use the spherical tokamak design, which aimed to greatly reduce the aspect ratio of the traditional tokamak design.

The experiment began at the Culham Science Centre in the United Kingdom in 1990 and was retired in 1998. It was built as a low cost design, largely using parts already available to the START team. The START experiment revolutionized the tokamak by changing the previous toroidal shape into a tighter, almost spherical, doughnut shape. The new shape increased efficiency by reducing the cost over the conventional design, while the field required to maintain a stable plasma was a factor of 10 less.

The main components that comprised START included the support structure, pulse transformer, vacuum tank, toroidal and poloidal field coils, and a limiter. The support structure positioned and supported the vacuum tank which also shared the same spherical center as the large pulse transformer. The main role of the pulse transformer was to provide the current for the toroidal field coils which was supplied through fifteen iron cores that were spirally wound from a .03 millimeter iron strip. The toroidal field coil was a central conductor made of copper on the axis of the vacuum tank, and was attached to the vacuum tank through copper limbs covered by insulated clamps. START had six poloidal field coils within the vacuum tank and were encased in 3 millimeter stainless steel cases. The poloidal coils were supported from the base of the tank and each could be adjusted as necessary. The vacuum tank was the primary vessel where experiments take place; it was cylindrical in shape and was divided into three sections. The tank offered numerous ports for the attachment of pumps and diagnostics. A graphite limiter was positioned around the central stainless steel tube and this provided a simple way to measure the innermost edge of the plasma during experiments.^[1]

球形トカマクで加熱実験を成功させるために、物理学者たちは中性ビーム入射を行った。これは、水素または重水素プラズマに水素を入射し、イオンと電子の両方を効果的に加熱するものである。原子は正味の静電荷を持たずに入射したが、ビームがプラズマを通過する際に、プラズマ中に既に存在するイオンに衝突してイオン化された。その結果、トーラス内部の磁場が円形であるため、これらの高速イオンは背景プラズマに閉じ込められた。背景プラズマは、空気抵抗が野球ボールの速度を落とすのと同様に、閉じ込められた高速イオンの速度を落とした。高速イオンからプラズマへのエネルギー伝達により、プラズマ全体の温度が上昇した。STARTで使用された中性ビーム入射器は、オークリッジ国立研究所から貸与されたものであった。^{[ 2 ]}

磁気流体力学的限界（MHD）はトカマクの運転限界であり、STARTも例外ではなかった。STARTチームは、STARTの中央柱の異なる高さに46セットのミルノフコイルを使用してMHDをテストした。START内部で圧縮によって形成されるプラズマは、MHDの変動を制限した。^{[ 3 ]}

1995年10月以前、STARTでは急速な停止は発生していなかった。1995年10月にダイバータコイルが設置され、画像からプラズマがコイルと相互作用してからディスラプションが発生することが示された。1996年12月にダイバータコイルがプラズマに近づけられたことでディスラプションの頻度が増加し、これらの疑念はさらに強まった。^{[ 3 ]}

START内のプラズマの特性も測定された。START内の典型的なプラズマは、アスペクト比A =1.3、伸長率k=1.8、温度400 eVであった。^{[ 2 ] [ 4 ]}

STARTでは、いくつかの実験 でベータ値が32%に達しました。これは、トカマクにおけるベータ値のこれまでの世界記録である12.6%を大きく上回る値です。ベータ値が大幅に向上した要因としては、真空状態の改善、中性粒子ビームの強力な入射、トロイダル磁場の低減、プラズマ圧力の上昇、磁気圧力の低下などが挙げられます。^{[ 4 ]} 1998年には、非オーム性ベータ値40%が達成されました。^{[ 5 ] : 29}

1998年3月、START実験は終了し、その後解体され、イタリアのフラスカーティにあるENEA研究所に移送され、そこでProto-Spheraの基礎となった。STARTチームは1999年にメガアンペア球形トカマク実験（MAST）を開始し、2013年まで英国のカルハム科学センターで稼働した。後継実験であるMAST Upgradeは、 2020年にカルハムで稼働を開始した。

• MAST（開始後続実験）