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トカマク（/ ˈtoʊkəmæk /、ロシア語: токамáк ）は、外部磁石によって生成された強力な磁場を使用して、軸対称のトーラス形状にプラズマを閉じ込める装置である[ 1 ]。[ 2 ]トカマクは、制御された熱核融合発電を生成するために開発されている磁気閉じ込め核融合設計の有力候補である[ 3 ]。
トカマクは、中央のソレノイドとトロイダル磁石およびポロイダル磁石を組み合わせてプラズマのリングを形成します。これは、中性粒子ビーム入射、電子およびイオンサイクロトロン共鳴、低域混成共鳴など、さまざまな方法で加熱されます。中性子検出器で測定されるように、核融合が達成される可能性があります。連続的に変化する磁場が必要なため、現代のトカマクは数秒から数分の時間スケールで「プラズマ放電」を維持します。[ 4 ]
半径とプラズマ電流で世界最大の稼働中のトカマクは、日本のJT-60SAです。その他の稼働中の実験装置としては、フランスのWESTと中国のEASTがあります。国際熱核融合実験炉（ITER）トカマクは、核融合発電の研究における世界的な主要プロジェクトであり、フランスで建設中で、2034年の完成を目指しています。英国のMASTアップグレードのような球形トカマクなど、より小型の設計や派生型も、性能パラメータやその他の問題を調査するために引き続き使用されています。近年、商業核融合企業も、コモンウェルス・フュージョン・システムズのSPARC設計など、トカマクの建設を提案しています。
トカマクは、ソ連の物理学者アンドレイ・サハロフとイゴール・タムによって最初に概念化されました。1951年からレフ・アルツィモヴィチが率いるモスクワのクルチャトフ研究所で実験が行われました。彼らの1958年のT-1装置は、最初のトカマクと見なされることがあります。[ 5 ] [ 6 ]同年、ソ連、米国、英国は核融合研究の共有を開始しました。
1968 年以降、「トカマクラッシュ」が起こりました。英国のカルハム研究所の科学者が、クルチャトフ研究所の T-3 トカマクの高性能な結果を検証したためです。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]安定したプラズマ平衡には、トーラスの周りをらせん状に巻く磁力線が必要であることが実証されていました。zピンチとステラレータの磁気閉じ込めの概念はこれを試みましたが、深刻な不安定性を示しました。安全係数(数学的表記ではqと表記) がトカマクの開発を導きました。q > 1のトカマクは、これらの不安定性を強く抑制しました。
1970年代半ばまでに、世界中で数十台のトカマクが稼働していた。米国のプリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）も研究の中心地となり、1975年のプリンストン・ラージ・トーラスを皮切りに研究が始まった。1970年代後半には、クルチャトフ研究所が、現代の大型設計で広く用いられているトカマクでの最初の超伝導磁石[ 5 ]とダイバータ[ 10 ]の試験を行った。
トカマク型核融合試験炉（TFTR） [ 11 ] と欧州共同トーラス（JET） [ 12 ]は、重水素に希少な三重水素 を混合した状態で実験を行った最初の原子炉であり、それ以前の原子炉は重水素プラズマ中で核融合を実証していた。両原子炉は、核融合プラズマの加熱におけるアルファ粒子の役割についての理解を深めた。JETはまた、高閉じ込めモードの研究も行い、2025年時点で磁気閉じ込め核融合の出力記録を樹立した。エネルギー利得係数( Q = 0.67)の場合、 [ 13 ]総エネルギー出力 (69 MJ )、[ 14 ]および核融合出力(16 MW ) [ 13 ]となります。
これらの装置は、性能を制限する新たな問題を示した。これらの問題を解決するには、どの国にとっても能力を超える、はるかに大型で高価な装置が必要となる。 1985年11月にロナルド・レーガンとミハイル・ゴルバチョフの間で最初の合意がなされた後、国際熱核融合実験炉（ITER）プロジェクトが誕生した。複合施設の建設は2013年にフランスのカダラッシュで始まり、トカマクの組み立ては2020年に開始された。
トカマクという言葉は、ロシア語のтокамакを音訳したもので、以下のいずれかの頭字語です。
ка мера
カメラ
チャンバー
c
s
と
ма гнитными
ma gnítnymi
磁気
то роидальная ка мера с ма гнитными к атузками
ロイダルナヤ・カー・メラ・ス・マ・グニトニミ・ク・アトゥシュカミへ
または：
то роидальная
to roidál'naya
ロイダルへ
кам ера
カムエラ
部屋
c
s
と
то роидальная кам ера с ак сиальным магнитным полем
ロイダルナヤカム時代のAK SIál'NYM MAGNítNYM Pólyemへ
「トカマク」という用語は、学者イーゴリ・クルチャトフの学生であるイーゴリ・ゴロビンによって1957年に造語された[ 16 ]。元々は「トカマグ」（「токамаг」）のように聞こえました。これは「ロイダル・チャンバー・マグネティック」（「то роидальная ка мера маг нитная」「to roidál'naya ká mera mag nitnaya」）という単語の頭字語です。しかし、最初の本の著者であるナタン・ヤヴリンスキーは、トロイダル システム。ユーフォニーの「-mag」を「-mak」に置き換えることを提案しました。その後、この名前は多くの言語で借用されました。
頭字語「токамаг」は г で終わりますが、これは通常、ロシア語の正書法では有声軟口蓋破裂音[g]を表しますが、ロシア語ではこの音は単語の末尾で無声軟口蓋破裂音[k] (または к と表記) に無声化されるため、どちらの綴りも同じように発音されます。
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または他の原子を含む金属箔に衝突させることで、地球上で初めて核融合を実現した。 [ 18 ]これにより、様々な核融合反応の核断面積を測定することができ、重水素-重水素反応は他の反応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が判明した。[ 19 ] [ a ]
加速器を用いた核融合は、原子炉の断面積が非常に小さいため実用的ではありません。加速器内の粒子のほとんどは燃料と融合するのではなく、散乱してしまいます。これらの散乱によって粒子はエネルギーを失い、もはや核融合を起こせなくなります。このようにして粒子に投入されたエネルギーは失われ、結果として生じる核融合反応で放出されるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーが失われることは容易に証明できます。[ 21 ]
核融合を維持して正味のエネルギー出力を生成するには、燃料の大部分を高温に加熱して原子が高速で絶えず衝突するようにする必要があります。この高温が核融合を引き起こすのに必要なことから、熱核融合という名前が付けられました。1944年、エンリコ・フェルミは、反応は約50,000,000 Kで自己持続的になると計算しました。この温度では、反応によって放出されるエネルギーの速度が十分に高いため、周囲の燃料を急速に加熱して環境への損失に対抗して温度を維持し、反応を継続させます。[ 21 ]
マンハッタン計画では、原子爆弾を用いてこれらの温度に到達する最初の実用的な方法が開発されました。1944年、フェルミは当時仮説上の水素爆弾の文脈で核融合の物理学について講演を行いました。しかし、制御された核融合については既に検討されており、ジェームズ・L・タックとスタニスワフ・ウラムは、重水素を注入した金属箔を成形炸薬で駆動させることでそれを試みましたが、成功しませんでした。[ 22 ]
実用的な核融合装置を製作する最初の試みはイギリスで行われ、ジョージ・パジェット・トムソンは1945年にピンチ効果を有望な技術として選んだ。資金調達に何度か失敗した後、彼は諦めて、2人の大学院生、スタンレー（スタン）・W・カズンズとアラン・アルフレッド・ウェア（1924-2010 [ 23 ] ）に余剰のレーダー機器を使って何かを作るよう依頼した。これは1948年に正常に稼働したが、核融合の明確な証拠は示さず、原子力研究機関の関心を得ることはできなかった。[ 24 ]
1950年、当時サハリンに駐屯していたソ連軍曹オレグ・ラヴレンティエフは、ソ連共産党中央委員会に手紙を書いた。その手紙では、原子爆弾を使って核融合燃料に点火するというアイデアの概要が述べられ、続いて静電場を使って高温プラズマを定常状態に閉じ込めてエネルギーを生成するシステムについて説明されていた。[ 25 ] [ 26 ] [ b ]
その手紙はアンドレイ・サハロフにコメントを求めて送られた。サハロフは「著者は非常に重要で、必ずしも絶望的ではない問題を提起している」と指摘し、その配置における彼の主な懸念はプラズマが電極線に衝突することであり、「広いメッシュと薄い電流を流す部分は、入射する原子核のほぼすべてを原子炉内に反射しなければならない」ということだと気づいた。[ 25 ]
ラヴレンティエフの手紙がいかに重要視されていたかは、その処理の速さからも見て取れる。手紙は7月29日に中央委員会に届き、サハロフは8月18日にレビューを提出し、10月までにサハロフとイゴール・タムは核融合炉の最初の詳細な研究を完了し、1951年1月に建設資金を要請した。[ 27 ]
原子が核融合温度まで加熱されると、原子内の電子が解離し、プラズマと呼ばれる原子核と電子の流体が生成されます。電気的に中性の原子とは異なり、プラズマは電気伝導性があり、そのため電場や磁場によって操作することができます。[ 28 ]
サハロフは電極に関する懸念から、静電場の代わりに磁気閉じ込めを用いることを検討した。磁場の場合、粒子は磁力線の周りを周回する。[ 28 ]粒子は高速で移動するため、結果として生じる軌道はらせん状になる。磁力線が平行で互いに接近するように磁場を配置すると、隣接する磁力線の周りを周回する粒子が衝突して融合する可能性がある。[ 29 ]
このような磁場は、外側に磁石が巻き付けられた円筒であるソレノイドで生成できます。磁石の磁場が合わさって、円筒の長さに沿って平行な磁力線が一列に並びます。この配置により、粒子が円筒の壁に向かって横方向に移動するのを防ぐことができますが、端から流れ出るのを防ぐことはできません。この問題の明らかな解決策は、円筒をドーナツ型、つまりトーラス状に曲げて、磁力線が連続した一連のリングを形成することです。この配置では、粒子は無限に周回します。[ 29 ]
サハロフはイゴール・タムとこの概念について話し合い、1950年10月末までに2人は提案書を作成し、ソ連の原子爆弾計画責任者であるイゴール・クルチャトフとその副官であるイゴール・ゴロビンに送付した。[ 29 ]しかし、この最初の提案は根本的な問題を無視していた。直線ソレノイドに沿って配置すると、外部磁石は均等な間隔で配置されるが、トーラス状に曲げると、リングの内側では外側よりも磁石の間隔が狭くなる。これにより、粒子が磁力線から離れて漂流する不均一な力が生まれる。[ 30 ] [ 31 ]
ソ連の原子力研究センターであるソ連科学アカデミー計測機器研究所（LIPAN）を訪れた際、サハロフはこの問題に対する2つの解決策を提案した。1つは、トーラスの中心に電流を流すリングを吊り下げることである。リング内の電流は、外側の磁石からの磁場と混ざり合う磁場を生成する。結果として生じる磁場はらせん状にねじれ、任意の粒子はトーラスの外側と内側を繰り返し通過することになる。不均一な磁場によって引き起こされるドリフトは内側と外側で逆方向であるため、トーラスの長軸の周りを複数回周回する間に、逆方向のドリフトは相殺される。もう1つは、別の金属リングの代わりに、プラズマ自体に電流を誘導するために外部磁石を使用することで、同じ効果が得られることを提案した。[ 30 ]
1951年1月、クルチャトフはLIPANでサハロフの構想を検討する会議を手配した。この構想は幅広い関心と支持を集め、2月にはこのテーマに関する報告書がソ連の原子開発を監督していたラヴレンティー・ベリヤに送られた。しばらくの間、何の返答もなかった。[ 30 ]
1951年3月25日、アルゼンチンのフアン・ペロン大統領は、元ドイツ人科学者のロナルド・リヒターが、現在ヒュームル計画として知られるプロジェクトの一環として、実験室規模での核融合に成功したと発表した。世界中の科学者はこの発表に興奮したが、すぐにそれが真実ではないと結論付けた。簡単な計算で、彼の実験装置では核融合燃料を必要な温度まで加熱するのに十分なエネルギーを生成できないことがわかった。[ 32 ]
核研究者からは否定されたものの、広く報道されたことで政治家たちは突然核融合研究に気づき、受け入れるようになった。英国では、トムソンは突然多額の資金援助を受けた。その後数ヶ月のうちに、ピンチシステムに基づく2つのプロジェクトが稼働した。[ 33 ]米国では、ライマン・スピッツァーがヒュームルの話を読み、それが虚偽であることに気づき、実際に機能する装置の設計に着手した。[ 34 ] 1951年5月、彼はステラレーター構想の研究を開始するために5万ドルの助成金を受けた。[ 35 ]ジム・タックは一時的に英国に戻り、トムソンのピンチマシンを見た。ロスアラモスに戻ったとき、彼もまたロスアラモスの予算から直接5万ドルを受け取った。[ 36 ]
ソ連でも同様の出来事が起こった。1951年4月中旬、電気物理装置科学研究所のドミトリ・エフレモフが、リヒターの研究に関する記事が掲載された雑誌を持ってクルチャトフの書斎に押し入り、なぜアルゼンチンに負けたのかと問い詰めた。クルチャトフはすぐにベリヤに連絡を取り、レフ・アルツィモヴィチを所長とする独立した核融合研究所を設立する提案をした。わずか数日後の1951年5月5日、この提案はヨシフ・スターリンによって署名された。[ 30 ]
1951年10月までに、サハロフとタムは当初の提案をはるかに詳細に検討し、トーラス全体の大半径が12メートル（39フィート）、円筒の内側の小半径が2メートル（6フィート7インチ）のものを提案した。この提案では、このシステムで1日に100グラム（3.5オンス）のトリチウムを生成したり、1日に10キログラム（22ポンド）のウラン233を生成したりできると示唆していた。[ 30 ]
このアイデアがさらに発展するにつれて、プラズマ中の電流がプラズマを閉じ込めるのに十分な強さの磁場を作り出すことができ、外部コイルが不要になることがわかった。[ 37 ]この時点で、ソ連の研究者たちは英国で開発されていたピンチシステムを再発明したが、[ 22 ]彼らは全く異なる出発点からこの設計に至った。
閉じ込めにピンチ効果を利用するというアイデアが提案されると、はるかに単純な解決策が明らかになった。大きなトロイドの代わりに、線状のチューブに電流を流すだけで、内部のプラズマがフィラメント状に収縮する可能性がある。これには大きな利点があった。プラズマ内の電流は通常の抵抗加熱によってプラズマを加熱するが、これだけではプラズマを核融合温度まで加熱することはできない。しかし、プラズマが収縮すると、断熱過程によって温度が劇的に上昇し、核融合には十分すぎるほどになる。この進展により、ゴロビンとナタン・ヤブリンスキーだけが、より静的なトロイド配置を検討し続けた。[ 37 ]
1952年7月4日、ニコライ・フィリッポフのグループは、リニアピンチマシンから放出される中性子を測定した。レフ・アルツィモヴィチは、核融合が起こったと結論付ける前にすべてをチェックするよう要求し、これらのチェック中に、中性子は核融合によるものではないことが判明した。[ 37 ]英国と米国の研究者も、同様のリニア配置を試みており、彼らのマシンも同じ挙動を示した。しかし、この種の研究を取り巻く極秘性のため、どのグループも、他のグループが同様の研究を行っていること、ましてや全く同じ問題を抱えていることに気づいていなかった。[ 38 ]
多くの研究の結果、放出された中性子の一部はプラズマの不安定性によって生成されたことが判明した。不安定性には主に線形マシンで見られるソーセージ型と、トロイダルマシンで最も一般的なキンク型の2種類があった。 [ 38 ] 3か国すべてのグループがこれらの不安定性の形成とそれに対処する可能性のある方法の研究を開始した。[ 39 ]この分野への重要な貢献は、米国のマーティン・デイビッド・クルスカルとマーティン・シュヴァルツシルト、およびソ連のシャフラノフによって行われた。 [ 40 ]
これらの研究から生まれたアイデアの1つは、「安定化ピンチ」として知られるようになりました。この概念では、チャンバーの外側にコイルを追加し、ピンチ放電前にプラズマ中に存在する磁場を作り出しました。ほとんどの概念では、外部から誘起される磁場は比較的弱く、プラズマは反磁性であるため、プラズマの外側の領域にしか浸透しませんでした。[ 38 ]ピンチ放電が発生し、プラズマが急速に収縮すると、この磁場は結果として生じるフィラメントに「凍結」され、その外層に強い磁場が生成されます。米国では、これは「プラズマにバックボーンを与える」として知られていました。[ 41 ]
サハロフは自身の当初のトロイダル概念を再検討し、プラズマを安定化させる方法について少し異なる結論に達した。レイアウトは安定化ピンチ概念と同じだが、2つの磁場の役割が逆転する。安定化を提供する弱い外部誘導磁場と閉じ込めを担う強いピンチ電流の代わりに、新しいレイアウトでは、閉じ込めの大部分を提供するため外部磁場がはるかに強力になり、電流ははるかに小さくなり安定化効果を担うことになる。[ 37 ]
1955年、線形アプローチがまだ不安定であったため、最初のトロイダル装置がソ連で構築されました。TMPは、同時代の英国や米国のモデルと同様の古典的なピンチマシンでした。真空チャンバーはセラミック製で、放電のスペクトルはシリカを示しており、プラズマが磁場によって完全に閉じ込められておらず、チャンバーの壁に衝突していたことを意味します。[ 37 ]銅製のシェルを使用した2つの小型マシンがそれに続きました。[ 42 ]導電性シェルはプラズマの安定化に役立つことを意図していましたが、それを試みたどのマシンでも完全には成功しませんでした。[ 43 ]
進展が停滞しているように見えたため、1955年にクルチャトフはソ連国内での核融合研究の開放を最終目標として、ソ連の研究者による全ソ連会議を招集した。[ 44 ] 1956年4月、クルチャトフはニキータ・フルシチョフとニコライ・ブルガーニンの広く報道された訪問の一環として英国を訪れた。彼は旧RAFハーウェルにある原子力研究所で講演することを申し出、ソ連の核融合研究の詳細な歴史的概観を発表して主催者を驚かせた。[ 45 ]彼は特に初期の装置で見られた中性子について時間をかけて言及し、中性子があるからといって核融合を意味するわけではないと警告した。[ 46 ]
クルチャトフは知らなかったが、かつての滑走路の端では、イギリスのZETA安定化ピンチマシンが建設されていた。ZETAは、当時としては群を抜いて最大かつ最強の核融合装置だった。安定化機能を追加するために改良された以前の設計に関する実験に裏付けられ、ZETAは低レベルの核融合反応を起こすことを目的としていた。これは明らかに大成功で、1958年1月、中性子の放出とプラズマ温度の測定に基づいて、ZETAで核融合が達成されたと発表された。[ 47 ]
ヴィタリー・シャフラノフとスタニスラフ・ブラギンスキーは報道記事を精査し、その仕組みを解明しようと試みた。彼らが検討した可能性の一つは、弱い「凍結」磁場の使用であったが、磁場が十分に長く持続しないと考え、これを却下した。そして、ZETAは基本的に、彼らが研究していた装置とほぼ同じで、強力な外部磁場を備えていると結論付けた。[ 45 ]
この頃までに、ソ連の研究者たちはサハロフが提案した方式に沿って、より大型のトロイダル型装置を製作することを決定していた。特に、彼らの設計ではクルスカルとシャフラノフの研究で発見された重要な点が考慮されていた。すなわち、粒子のらせん状の軌道によって、粒子がトロイダルの長軸を周回するよりも速くプラズマの円周を周回する場合、キンク不安定性は強く抑制されるという点である。[ 39 ]
（明確にしておくと、トーラスを囲むコイルに流れる電流は、トーラス内部にトロイダル磁場を生成します。トーラスの穴を通るパルス磁場は、トーラス内部に軸方向の電流を誘導し、その周囲にポロイダル磁場が発生します。また、トーラスの上下にも電流のリングが存在し、追加のポロイダル磁場を生成する場合があります。これらの磁場が合わさって、トーラス内部にらせん状の磁気構造が形成されます。）
今日では、この基本的な概念は安全係数として知られています。粒子が長軸を周回する回数と短軸を周回する回数の比はqで表され、クルスカル・シャフラノフ限界では、 q > 1である限りキンクは抑制されるとされています。この経路は、外部から誘導される磁場と内部電流によって生成される磁場の相対的な強さによって制御されます。q > 1 にするには、外部磁石をはるかに強力にするか、あるいは内部電流を減らす必要があります。[ 39 ]
この基準に従って、新しい原子炉T-1の設計が開始されました。これは今日、最初の真のトカマクとして知られています。[ 42 ] T-1は、ZETAのような安定化ピンチマシンと比較して、より強力な外部磁場とより低い電流の両方を使用しました。T-1の成功により、最初の稼働トカマクとして認められました。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] 「熱核融合プロセスに必要な異常に高い温度を得るためのガス中の強力なインパルス放電」に関する研究で、ヤブリンスキーは1958年にレーニン賞とスターリン賞を受賞しました。ヤブリンスキーはすでに、後にT-3として建設されるさらに大きなモデルの設計を準備していました。明らかに成功したZETAの発表により、ヤブリンスキーのコンセプトは非常に好意的に見なされました。[ 45 ] [ 52 ]
ZETAの詳細は、1月下旬にNature誌に掲載された一連の記事で公表された。シャフラノフは驚いたことに、このシステムが「凍結」磁場の概念を使用していたことを知った。 [ 45 ]彼は依然として懐疑的だったが、サンクトペテルブルクのヨッフェ研究所のチームが、Alphaと呼ばれる同様の装置を建設する計画を開始した。わずか数か月後の5月、ZETAチームは、核融合は達成されておらず、プラズマ温度の誤った測定によって誤った方向に導かれたと発表する声明を発表した。[ 53 ]
T-1は1958年末に運転を開始した。[ 54 ] [ c ]放射線による非常に高いエネルギー損失が実証された。これは、真空システムによるプラズマ中の不純物が容器材料からのガス放出を引き起こしたことに起因することが判明した。この問題の解決策を探るため、別の小型装置T-2が製作された。これは、閉じ込められたガスを焼き切るために550 ℃（1,022 °F）で焼かれた波形金属の内部ライナーを使用した。 [ 54 ]
1958年9月にジュネーブで開催された第2回平和のための原子力会議の一環として、ソ連代表団は核融合研究に関する多くの論文を発表した。その中には、当時注目すべき成果は何も示していなかったトロイダル型装置の初期結果も含まれていた。[ 55 ]
ショーの「主役」はスピッツァーのステラレーターの大型模型で、ソ連の注目をすぐに集めた。ソ連の設計とは対照的に、ステラレーターは、軸方向電流を生成する誘導システムのパルスではなく定常状態で動作できる一連の外部コイル（内部磁場を生成）を使用して、電流を流さずに必要なねじれた経路をプラズマ中に生成した。クルチャトフはヤブリンスキーにT-3の設計をステラレーターに変更するように求め始めたが、電流は加熱において有用な第二の役割を果たしており、ステラレーターにはそれが欠けていると彼らはクルチャトフを説得した。[ 55 ]
ショーの時点では、ステラレーターは一連の小さな問題を抱えており、それらはようやく解決されつつあった。これらの問題を解決すると、プラズマの拡散速度が理論予測よりもはるかに速いことが明らかになった。同様の問題は、何らかの理由で、当時のすべての設計で見られた。ステラレーター、さまざまなピンチコンセプト、および米国とソ連の両方の磁気ミラーマシンはすべて、閉じ込め時間を制限する問題を示した。[ 54 ]
制御核融合の最初の研究から、背景には問題が潜んでいた。マンハッタン計画中、デビッド・ボームはウランの同位体分離に取り組むチームの一員だった。戦後、彼は磁場中のプラズマの研究を続けた。基本的な理論を用いると、プラズマは磁場の強さの二乗に反比例する速度で磁力線を横切って拡散すると予想される。つまり、磁力が少し増加すると閉じ込めが大幅に改善されるということである。しかし、ボームは実験に基づいて、拡散速度が磁力の二乗ではなく磁力に比例することを示唆する経験式（現在ボーム拡散として知られている）を開発した。 [ 56 ]
ボームの公式が正しければ、磁気閉じ込めに基づく核融合炉を建設する望みは全くなかった。核融合に必要な温度でプラズマを閉じ込めるには、磁場は既知のどの磁石よりも桁違いに大きくなければならない。スピッツァーは、ボームの拡散率と古典的な拡散率の差はプラズマの乱流によるものだと考え[ 57 ]、ステラレータの定常磁場はこの問題の影響を受けないと信じていた。当時行われた様々な実験は、ボームの拡散率は適用されず、古典的な公式が正しいことを示唆していた[ 56 ] 。
しかし1960年代初頭までに、様々な設計のプラズマが驚異的な速度で漏れ出すようになったため、スピッツァー自身はボームのスケーリングはプラズマの固有の性質であり、磁気閉じ込めは機能しないと結論付けた。[ 54 ]この分野全体は「停滞期」として知られるようになった[ 58 ] 、激しい悲観主義の時期に突入した。 [ 37 ]
他の設計とは対照的に、実験用トカマクは順調に進んでいるように見え、些細な理論的問題が今や深刻な懸念事項となっている。重力が存在すると、プラズマ内に小さな圧力勾配が生じる。これは以前は無視できるほど小さかったが、今では対処しなければならない問題となっている。このため、1962年にさらに別のコイルセットが追加され、これらの影響を相殺する垂直磁場が生成された。これは成功し、1960年代半ばには、これらの装置はボーム限界を超える兆候を示し始めた。[ 59 ]
1965年に英国に新設されたカルハム核融合エネルギーセンターで開催された第2回国際原子力機関核融合会議で、アルツィモビッチは、彼らのシステムがボーム限界を10倍上回っていると報告した。発表を検討したスピッツァーは、ボーム限界は依然として適用される可能性があると示唆した。結果はステラレータで得られた結果の実験誤差の範囲内であり、磁場に基づく温度測定は単純に信頼できないものであった。[ 59 ]
次の主要な国際核融合会議は、1968年8月にノボシビルスクで開催された。この時までに、2つのトカマク設計が完成しており、1965年にTM-2、1968年にT-4が完成した。T-3の結果は改善を続けており、新しい原子炉の初期テストからも同様の結果が出ていた。会議で、ソ連代表団は、T-3が1000 eV（摂氏1000万度に相当）の電子温度を生成しており、閉じ込め時間はボーム限界の少なくとも50倍であると発表していた。[ 60 ]
これらの結果は、他のどの装置の少なくとも 10 倍であった。もし正しければ、それは核融合コミュニティにとって大きな飛躍を意味した。スピッツァーは懐疑的で、温度測定は依然としてプラズマの磁気特性からの間接的な計算に基づいていると指摘した。多くの人が、これは暴走電子として知られる効果によるものであり、ソ連はバルク温度ではなく、それらの極めてエネルギーの高い電子のみを測定していると結論付けた。ソ連は、測定している温度はマクスウェル分布に従うことを示唆するいくつかの議論で反論し、議論は激化した。[ 61 ]
ZETA実験の後、英国のチームはより正確な測定を行うための新しいプラズマ診断ツールの開発に着手した。その中には、トムソン散乱を用いてバルク電子の温度を直接測定するレーザーの使用も含まれていた。この技術は核融合コミュニティではよく知られ、高く評価されていた。[ 62 ]アルツィモビッチは公然とこれを「素晴らしい」と評していた。アルツィモビッチはカルハム研究所所長のバス・ピースを招き、ソ連の原子炉で彼らの装置を使用させた。冷戦の最盛期には、アルツィモビッチによる大きな政治的策略と今でも考えられているが、英国の物理学者たちはソ連の核爆弾開発の中心地であるクルチャトフ研究所を訪問することが許された。[ 63 ]
「カルハム・ファイブ」という愛称で呼ばれたイギリスのチーム[ 64 ]は、 1968年後半に到着した。長期間にわたる設置と校正作業の後、チームは多数の実験運転にわたって温度を測定した。最初の結果は1969年8月までに得られ、ソ連の主張は正しく、彼らの結果は正確であった。チームは結果をカルハムに電話で伝え、カルハムはそれを機密電話でワシントンに伝えた[ 65 ] 。最終結果は1969年11月にネイチャー誌に掲載された[ 66 ]。この発表の結果は、世界中でトカマク建設の「まさに殺到」と表現されている[ 67 ] 。
深刻な問題が一つ残っていた。プラズマ内の電流はピンチマシンよりもはるかに低く、圧縮もはるかに少ないため、プラズマの温度は電流の抵抗加熱率に制限される。1950年に初めて提唱されたスピッツァー抵抗率によれば、プラズマの電気抵抗は温度の上昇とともに減少する[ 68 ]。つまり、装置が改良され温度が上昇するにつれて、プラズマの加熱速度は遅くなるということである。計算によれば、q > 1の範囲内にとどまる場合、結果として得られる最高温度は数百万度程度に制限されることが示された。アルツィモビッチはノボシビルスクでこの点をいち早く指摘し、今後の進歩には新しい加熱方法の開発が必要になると述べた[ 69 ] 。
1968年にノボシビルスクで開催された会議に出席した人物の一人に、米国の核融合プログラムのリーダーの一人であるアマサ・ストーン・ビショップがいた。当時、ボーム限界を超える明確な証拠を示した数少ない装置の1つが、多重極コンセプトだった。ローレンス・リバモア研究所と、スピッツァー宇宙望遠鏡のステラレータの本拠地であるプリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）は、どちらも多重極設計のバリエーションを構築していた。それぞれ単独ではそこそこの成功を収めていたが、T-3はどちらの装置よりもはるかに優れた性能を発揮した。ビショップは多重極が冗長であることを懸念し、米国は独自のトカマクを検討すべきだと考えていた。[ 70 ]
1968 年 12 月の会議でこの問題を提起したとき、研究所の所長たちは検討することを拒否した。プリンストンのメルビン B. ゴットリーブは苛立ち、「この委員会が科学者たちより考えが優れているとでも思っているのか？」と尋ねた。 [ 71 ]主要な研究所が自分たちの研究を管理することを要求したため、ある研究所は取り残された。オークリッジは当初、原子炉燃料システムの研究で核融合分野に参入したが、独自のミラープログラムに枝分かれした。1960 年代半ばまでに、彼らの DCX 設計はアイデアが尽き、より権威があり政治的に力のあるリバモアの同様のプログラムにないものは何も提供できなくなっていた。そのため、彼らは新しい概念を非常に受け入れやすくなった。[ 72 ]
かなりの議論を経て、ヘルマン・ポストマは1969年初頭にトカマクを検討するための小グループを結成した。[ 72 ]彼らは後にオルマクと名付けられた新しい設計を考案し、いくつかの斬新な特徴を持っていた。その中でも最も重要なのは、トーラスの下にある大型変圧器から電力を供給される単一の大きな銅ブロックで外部磁場を生成する方法であった。これは、外側に電流巻線を使用する従来の設計とは対照的であった。彼らは、単一のブロックによってはるかに均一な磁場が生成されると考えていた。また、ケーブルをドーナツの穴に通す必要がないため、トーラスの主半径を小さくすることができ、ソ連がすでに良い結果をもたらすと示唆していたアスペクト比を低くできるという利点もあった。[ 73 ]
1969年初頭、アルツィモビッチはMITを訪れ、そこで核融合に関心を持つ人々から執拗に質問攻めに遭った。彼は最終的に4月に数回の講演を行うことに同意し[ 69 ]、その後、長時間の質疑応答セッションを許可した。こうしたセッションが続くにつれ、これまで様々な理由で核融合分野から距離を置いていたMIT自身もトカマクに興味を持つようになった。当時MITにいたブルーノ・コッピは、ポストマのチームと同じ概念に基づいて、独自の低アスペクト比のコンセプトであるアルカトールを考案した。オルマクのトロイダル変圧器の代わりに、アルカトールは従来のリング状の磁場コイルを使用したが、既存の設計よりもはるかに小型である必要があった。MITのフランシス・ビター磁石研究所は磁石設計の世界的リーダーであり、彼らはそれを製造できると確信していた。[ 69 ]
1969年、さらに2つのグループがこの分野に参入した。ゼネラル・アトミックスでは、大川智弘が多極原子炉を開発しており、これらのアイデアに基づいたコンセプトを提出した。これは非円形のプラズマ断面を持つトカマクであり、アスペクト比が低いほど性能が向上することを示唆するのと同じ数学的原理から、C字型またはD字型のプラズマも同様の効果をもたらすことが示唆された。彼はこの新しい設計をダブルットと名付けた。[ 74 ]一方、テキサス大学オースティン校のグループは、意図的に乱流を発生させてプラズマを加熱する方法を研究するために、比較的単純なトカマクであるテキサス乱流トカマクを提案していた。[ 75 ]
1969年6月に原子力委員会の核融合運営委員会のメンバーが再び会合を開いたとき、彼らは「トカマクの提案が山ほどあった」。[ 75 ]トロイダル設計に取り組んでいた主要な研究所の中で、トカマクを提案していなかったのはプリンストン大学だけだった。プリンストン大学は、モデルCステラレータがそのような改造にほぼ完璧であるにもかかわらず、それを検討することを拒否した。彼らはモデルCを改造すべきでない理由を長々と挙げ続けた。これらの理由が疑問視されると、ソ連の結果が信頼できるかどうかについて激しい議論が巻き起こった。[ 75 ]
議論の様子を見て、ゴットリーブは考えを変えた。ソ連の電子温度測定が正確でないなら、トカマクを進める意味はない。そこで彼は、ソ連の結果を証明または反証する計画を立てた。昼休みにプールで泳いでいるとき、彼はハロルド・ファースにその計画を話した。ファースは「まあ、君の言う通りかもしれないね」と答えた。[ 65 ]昼食後、各チームが設計を発表し、その時点でゴットリーブはモデルCを基にした「ステラレーター・トカマク」のアイデアを発表した。[ 65 ]
常任委員会は、このシステムは6か月で完成する可能性があるのに対し、オルマクは1年かかると指摘した。[ 65 ]カルハム・ファイブの機密結果が公表されたのはそれから間もなくのことだった。10月に再び会合を開いた際、常任委員会はこれらの提案すべてに資金を拠出した。モデルCの新しい構成は、すぐにシンメトリカル・トカマクと名付けられ、ソ連の結果を検証することを目的としていたが、他のものはT-3をはるかに超える方法を模索することになっていた。[ 76 ]
対称型トカマクでの実験は1970年5月に始まり、翌年初めにはソ連の結果を検証し、それを上回った。ステラレータは放棄され、PPPLはその豊富な専門知識をプラズマ加熱の問題に注いだ。2つの概念が有望に見えた。PPPLは、磁気圧縮、つまりピンチのような技術で温かいプラズマを圧縮して温度を上げることを提案したが、その圧縮は電流ではなく磁石によって行われる。[ 77 ]オークリッジは、中性粒子ビーム入射を提案した。これは、燃料原子を周囲の磁場に送り込み、プラズマと衝突させて加熱する小型粒子加速器である。[ 78 ]
PPPLの断熱トロイダル圧縮機（ATC）は1972年5月に稼働を開始し、その後まもなく中性ビームを備えたオルマックが稼働を開始した。どちらも重大な問題を抱えていたが、PPPLはATCにビームインジェクターを取り付けることでオークリッジを追い抜き、1973年に加熱の成功を明確に証明した。この成功によりオークリッジは「追い抜かれ」、ワシントン運営委員会内での支持を失った。[ 79 ]
この頃には、ビーム加熱に基づくはるかに大型の設計であるプリンストン大型トーラス（PLT）が建設中だった。PLTは、「トカマクの概念と補助加熱が将来の核融合炉の基礎となり得るかどうかを明確に示す」ために特別に設計された。[ 80 ] PLTは大成功を収め、内部温度を継続的に上昇させ、1978年には6000万℃（8000eV 、T-3の記録の8倍）に達した。これはトカマクの開発における重要なポイントであり、核融合反応は5000万℃から1億℃の温度で自己持続的になるが、PLTはこれが技術的に達成可能であることを実証した。[ 80 ]
これらの実験、特にPLT実験により、米国はトカマク研究において大きくリードするに至った。これは主に予算によるもので、トカマクの費用は約50万ドルで、当時の米国の年間核融合予算は約2500万ドルであった。[ 60 ]それによって、有望な加熱方法をすべて検討することができ、最終的に中性粒子ビームが最も効果的な方法の一つであることを発見した。[ 81 ]
この時期、ロバート・ハーシュは米国原子力委員会の核融合開発局長に就任した。ハーシュは、目に見える成果を示さなければ、現在の資金レベルではプログラムを維持できないと感じていた。彼はプログラム全体の再編成に着手した。かつては主に科学的探査を目的とした研究所主導の取り組みであったものが、今や実用的な発電用原子炉を建設するためのワシントン主導の取り組みとなった。[ 81 ]これは1973年の石油危機によって後押しされ、代替エネルギーシステムの研究が大幅に増加した。[ 82 ]
1970年代後半までに、トカマクは実用的な核融合炉に必要なすべての条件を満たしました。1978年にはPLTが点火温度を実証し、翌年にはソ連のT-7が初めて超伝導磁石の使用に成功しました。 [ 83 ]ダブルットは成功を収め、その後のほぼすべての設計がこの「成形プラズマ」アプローチを採用するようになりました。発電用原子炉を建設するために必要なのは、これらの設計コンセプトすべてを単一の機械に組み込み、放射性トリチウムを燃料混合物として運転できるものにすることだけのようでした。[ 84 ]
1970年代には、世界中で4つの主要な第2世代提案が資金提供を受けた。ソ連はT-15で開発の系譜を継続し[ 83 ] 、汎ヨーロッパの取り組みとして共同欧州トーラス（JET）が開発され、日本はJT-60（当初は「ブレークイーブン・プラズマ試験施設」として知られていた）の取り組みを開始した。米国では、ハーシュは同様の設計の計画を策定し始め、別のステップストーン設計の提案を飛ばして、直接トリチウム燃焼型に進んだ。これがトカマク核融合試験炉（TFTR）として現れ、ワシントンから直接運営され、特定の研究所とは関連付けられていなかった[ 84 ] 。当初はオークリッジをホストとして好んでいたハーシュは、失うものが最も大きいので最も一生懸命取り組むだろうと他の人々に説得され、それをPPPLに移した[ 85 ] 。
その興奮は非常に広まり、この頃には商業用トカマクを製造するためのいくつかの商業ベンチャーが始まった。その中でも最も有名なのは、1978年にペントハウス誌の発行人であるボブ・グッチョーネがロバート・バサードと出会い、世界最大かつ最も熱心な核融合技術の個人投資家となり、最終的にバサードのコンパクトトカマクに自身の資金2000万ドルを投資したことである。リッグス銀行の資金提供により、この取り組みはリガトロンとして知られるようになった。[ 86 ]
TFTRは建設競争に勝利し、1982年に運転を開始した。続いて1983年にJET、1985年にJT-60が運転を開始した。JETは重要な実験において急速にリードし、試験ガスから重水素へと移行し、より強力な「ショット」を繰り出した。しかし、新しいシステムはどれも期待通りに機能していないことがすぐに明らかになった。多くの新たな不安定性が現れ、その性能を阻害するより実際的な問題も数多く発生した。さらに、TFTRとJETの両方で、プラズマが原子炉の壁に衝突する危険な「逸脱」が明らかになった。完全に機能している場合でも、核融合温度でのプラズマ閉じ込め、いわゆる「核融合三重積」は、実用的な原子炉設計に必要な水準をはるかに下回っていた。
1980年代半ばにかけて、これらの問題の原因の多くが明らかになり、様々な解決策が提案された。しかし、これらの解決策は装置の規模と複雑さを大幅に増大させるものであった。これらの変更を取り入れた後継設計は、JETやTFTRよりもはるかに巨大で、費用もはるかに高額になるだろう。こうして、核融合分野には新たな悲観論の時代が到来した。
これらの実験が問題点を露呈する一方で、米国の巨額の資金提供の原動力の多くが消滅しました。1986年にロナルド・レーガンは1970年代のエネルギー危機は終わったと宣言し[ 89 ]、先進エネルギー源への資金は1980年代初頭に大幅に削減されました。
国際的な原子炉設計の構想は、1973年6月からINTOR（International TOkamak Reactor、国際トカマク原子炉）という名称で進められてきた。これは元々リチャード・ニクソンとレオニード・ブレジネフの間の合意によって始まったが、1978年11月23日の最初の本格的な会合以来、ゆっくりと進展していた。[ 90 ]
1985年11月のジュネーブ首脳会談で、レーガン大統領はミハイル・ゴルバチョフ書記長にこの問題を提起し、同組織の改革を提案した。「…両首脳は、平和目的での制御された熱核融合の利用を目指す研究の潜在的な重要性を強調し、この点において、本質的に無尽蔵であるこのエネルギー源を全人類の利益のために獲得するための国際協力の可能な限り広範な発展を提唱した。」[ 91 ]
翌年、米国、ソ連、欧州連合、日本の間で協定が締結され、国際熱核融合実験炉機構が設立された。[ 92 ] [ 93 ]
設計作業は1988年に開始され、それ以来、ITER原子炉は世界中で最も主要なトカマク型原子炉の設計プロジェクトとなっている。
より強力な磁場磁石を用いることで、はるかに小型のトカマクで高いエネルギー利得を実現できる。FIRE 、IGNITOR、コンパクト点火トカマク（CIT）といった概念は、初期の提案であった。
2010年代に高温超伝導体（HTS）が商業的に利用可能になったことで、小型装置でITER並みのエネルギー利得を実現するために必要な高磁場磁石を構築するための有望な道が開かれました。この新技術を活用するため、 MITプラズマ科学・核融合センター（PSFC）とMITのスピンアウト企業であるコモンウェルス・フュージョン・システムズ（CFS）は、 2021年にトロイダル磁場モデルコイル（TFMC）の構築と試験に成功し、ITERと同等の核融合利得を実現するように設計された、プラズマ体積がITERの約1/40しかないSPARCの構築に必要な20テスラの磁場を実証しました。
英国のスタートアップ企業であるトカマク・エナジーは、高温超伝導磁石を用いた正味エネルギー球状トカマクの建設を計画している。
EUと日本が共同開発したJT-60SA原子炉は、電気系統のショートによる2年間の遅延を経て、2023年10月23日に初のプラズマ生成に成功した。[ 94 ] [ 95 ]
核融合プラズマ中の正に帯電したイオンと負に帯電した電子は非常に高温であり、それに伴い速度も大きい。核融合プロセスを維持するためには、高温プラズマからの粒子を中央領域に閉じ込める必要があり、そうしないとプラズマは急速に冷却される。磁気閉じ込め核融合装置は、磁場中の荷電粒子がローレンツ力を受け、磁力線に沿ってらせん状の経路をたどるという事実を利用している。[ 96 ]
最も単純な磁気閉じ込めシステムはソレノイドです。ソレノイド内のプラズマは、中心を通る磁力線に沿って螺旋状に回転し、側面への移動を防ぎます。しかし、これは端への移動を防ぐものではありません。明らかな解決策は、ソレノイドを円形に曲げてトーラスを形成することです。しかし、このような配置は均一ではないことが実証されています。純粋に幾何学的な理由から、トーラスの外縁の磁場は内縁の磁場よりも低くなります。この非対称性により、電子とイオンは磁場を横切ってドリフトし、最終的にトーラスの壁に衝突します。[ 31 ]
解決策は、磁力線を単にトーラスの周りを走るのではなく、理髪店の看板やキャンディケーンの縞模様のようにねじれるように形作ることです。このような磁場では、どの粒子も外縁にたどり着き、そこで一方向に漂流し、その後、磁力線に沿ってトーラスの周りを回ると内縁にたどり着き、そこで反対方向に漂流します。この相殺は完全ではありませんが、計算によると、燃料を原子炉内に有用な時間留まらせるのに十分であることが示されています。[ 96 ]
必要なねじれを持つ設計を実現するための最初の2つの解決策は、機械的な機構によってトーラス全体をねじるステラレータと、プラズマに電流を流して第2の磁場を生成するZピンチ設計であった。どちらも単純なトーラスに比べて閉じ込め時間の改善を示したが、同時に、プラズマが原子炉から持続不可能な速度で失われるという様々な影響も示した。
トカマクは、物理的なレイアウトにおいて、基本的にzピンチの概念と同一である。[ 97 ]その重要な革新は、ピンチがプラズマを失う原因となっていた不安定性を制御できるという認識であった。問題は、磁場の「ねじれ」の程度であった。長軸トーラスの周回軌道で粒子が内外を1回以上通過するような磁場は、ねじれが少ない装置よりもはるかに安定していた。このねじれと軌道の比率は、安全係数として知られるようになり、qで表される。以前の装置はqが約1/3で動作していたが、トカマクはq≫1で動作する。これにより、安定性が桁違いに向上する。
問題をさらに詳しく検討すると、磁場の垂直成分（回転軸に平行な成分）が必要となることがわかる。垂直磁場中のトロイダルプラズマ電流のローレンツ力は、プラズマトーラスを平衡状態に保つ内向きの力となる。
初期のトカマクでは、イオン温度は経験的なアルツィモビッチの式によって制限されていた。[ 98 ]
トカマクはプラズマの安定性という大まかな問題を解決する一方で、プラズマは多くの動的不安定性にも影響を受けます。その一つであるキンク不安定性は、トカマクの構造によって強く抑制されます。これは、トカマクの高い安全率の副次的な効果です。キンクが抑制されたことで、トカマクは従来の装置よりもはるかに高い温度で運転できるようになり、その結果、数多くの新しい現象が出現しました。
これらのうちの1つであるバナナ軌道は、トカマク内の粒子エネルギーの広範囲によって引き起こされます。燃料の大部分は高温ですが、一定の割合ははるかに低温です。トカマク内の磁場のねじれが大きいため、粒子は力線に沿って急速に内縁、そして外縁へと移動します。粒子が内側へ移動するにつれて、半径が小さくなるため磁場が集中し、粒子は増加する磁場にさらされます。燃料中の低エネルギー粒子はこの増加する磁場に反射され、燃料内を逆方向に移動し始め、高エネルギーの原子核と衝突してプラズマから散乱します。このプロセスにより原子炉から燃料が失われますが、このプロセスは十分に遅いため、実用的な原子炉はまだ十分に実現可能です。[ 99 ]
もう一つの不安定性は、ティアリング不安定性です。2024年に研究者らは、強化学習をマルチモーダル動的モデルに適用し、25ミリ秒間隔で複数の診断装置とアクチュエータからの信号に基づいて、このような不安定性を測定および予測しました。この予測は、米国のDIII-D6におけるティアリング不安定性を低減するために使用されました。報酬関数は、最大プラズマ圧力と不安定性リスクという相反する目標のバランスをとりました。特に、プラズマはHモード性能を維持しながら、安定経路を積極的に追跡しました。[ 100 ] [ 101 ]
制御核融合装置の最初の目標の一つは、損益分岐点に到達することです。損益分岐点とは、核融合反応によって放出されるエネルギーと、反応を維持するために使用されるエネルギーが等しくなる点のことです。出力エネルギーと入力エネルギーの比はQで表され、損益分岐点はQが1に相当します。原子炉が正味のエネルギーを生成するにはQが1より大きい必要がありますが、実際的な理由から、 Qは1よりもはるかに高い方が望ましいです。
損益分岐点に達すると、閉じ込め性能をさらに向上させると、一般的にQ値は急速に増加します。これは、最も一般的な核融合燃料である重水素と三重水素の50対50の混合物の核融合反応によって放出されるエネルギーの一部がアルファ粒子の形をとるためです。これらのアルファ粒子はプラズマ中の燃料原子核と衝突して加熱し、必要な外部加熱量を減らします。点火と呼ばれるある時点で、この内部自己加熱によって外部加熱なしで反応を継続させることが可能になり、 Q値は無限大になります。
トカマクの場合、アルファ粒子が燃料と衝突するのに十分な時間燃料内に留まると、この自己加熱プロセスが最大化されます。アルファ粒子は帯電しているため、燃料プラズマを閉じ込めているのと同じ電場の影響を受けます。アルファ粒子が燃料内に留まる時間は、電場内での軌道がプラズマ内に留まるようにすることで最大化できます。プラズマ内の電流が約 3 MA のときにこれが起こることが実証されています。[ 102 ]
1970年代初頭、プリンストン大学で行われた、将来のトカマク設計における高出力超伝導磁石の使用に関する研究では、磁石の配置が検討されました。彼らは、主トロイダルコイルの配置により、曲率の内側、つまり磁石同士が接近している部分で、磁石間の張力が著しく大きくなることに気づきました。このことを考慮して、磁石をO字型ではなくD字型にすれば、磁石内部の張力が均等になることが分かりました。これが「プリンストンDコイル」として知られるようになりました。[ 103 ]
このような配置が検討されたのは今回が初めてではないが、その理由は全く異なる。安全係数は装置の軸方向で変化する。純粋に幾何学的な理由から、プラズマの中心に最も近い内側の端では長軸が短いため、安全係数は常に小さくなる。つまり、平均q =2の装置でも、特定の領域では1未満になる可能性がある。1970年代には、これを打ち消して平均qの高い設計を実現する一つの方法として、磁場を整形してプラズマがトーラスの外側半分だけを満たすようにし、通常の円形断面ではなく、端から見たときにD字型またはC字型になるようにすることが提案された。
D字型プラズマを採用した最初の装置の一つがJETで、1973年に設計作業が開始されました。この決定は理論的な理由と実用的な理由の両方からなされました。トーラスの内側の縁にかかる力が大きいため、原子炉全体に大きな正味の力が内向きに作用します。D字型には、正味の力を低減し、支持される内側の縁を平らにして支持しやすくするという利点もありました。[ 104 ]一般的なレイアウトを探索するコードでは、非円形の形状がゆっくりと垂直方向にドリフトすることが観察され、中心に保持するためのアクティブフィードバックシステムが追加されました。[ 105 ] JETがこのレイアウトを選択した後、ゼネラル・アトミックスのダブルットIIIチームは、D字型の断面を持つD-IIIDにこの装置を再設計し、日本のJT-60設計にも採用されました。このレイアウトはそれ以来、ほぼ普遍的なものとなっています。
全ての核融合炉に共通する問題の一つは、重元素の存在によってエネルギー損失率が増加し、プラズマが冷却されてしまうことである。核融合発電の開発初期段階で、この問題に対する解決策としてダイバータが考案された。ダイバータとは、重元素を原子炉外に排出する大型質量分析計のようなものである。当初はステラレータの設計に採用され、磁気巻線への組み込みが容易であった。しかし、トカマク型核融合炉用のダイバータの設計は、非常に困難な課題であることが判明した。
全ての核融合設計に共通するもう一つの問題は、プラズマが閉じ込め容器の壁にかける熱負荷です。この負荷に耐えられる材料はありますが、一般的には望ましくなく高価な重金属です。このような材料が高温イオンとの衝突でスパッタリングされると、その原子が燃料と混ざり合い、燃料を急速に冷却します。ほとんどのトカマク設計で採用されている解決策は、リミッターと呼ばれる、チャンバー内に突き出した小さな軽金属のリングです。これによりプラズマは壁に到達する前にリミッターに衝突します。この過程でリミッターは侵食され、その原子が燃料と混ざり合いますが、これらの軽い材料は壁の材料よりも影響が少ないです。
原子炉がD字型プラズマに移行すると、プラズマから放出される粒子束の形状も制御できることがすぐに明らかになった。やがて、この知見は、プラズマ場を利用して内部ダイバータを作成し、より重い元素を燃料から、通常は原子炉底部へと放出するというアイデアにつながった。そこでは、液体リチウム金属のプールが一種のリミッターとして用いられる。粒子はこれに衝突して急速に冷却され、リチウム中に留まる。この内部プールは、その位置のおかげで冷却が非常に容易であり、一部のリチウム原子がプラズマ中に放出されるものの、その質量が非常に小さいため、これまで使用されてきた最も軽い金属よりもはるかに小さな問題となる。
装置がこの新たに形成されたプラズマを探索し始めると、磁場とプラズマパラメータの特定の配置によって、現在では高閉じ込めモード（Hモード）として知られる状態に入ることがあることに気づきました。このHモードは、より高い温度と圧力で安定して動作します。ステラレータでも見られるHモードでの動作は、現在、トカマク設計における主要な設計目標となっています。
最後に、プラズマの密度が不均一な場合、内部電流が発生することが指摘された。これはブートストラップ電流として知られている。適切に設計された原子炉は、外部電源から供給することなく、磁力線をねじるために必要な内部電流の一部を生成できる。これには多くの利点があり、現代の設計では、総電流の可能な限り多くをブートストラッププロセスによって生成するように試みられている。
1990年代初頭までに、これらの特徴などが組み合わさって「先進トカマク」という概念が生まれた。これは、ITERを含む現代の研究の基礎となっている。
トカマクでは、「ディスラプション」と呼ばれる現象が発生し、数ミリ秒で閉じ込めが失われます。主なメカニズムは2つあり、1つは「垂直変位イベント」（VDE）で、プラズマ全体が真空チャンバーの上部または下部に接触するまで垂直に移動します。対照的に、「メジャーディスラプション」では、長波長で非軸対称の磁気流体力学的不安定性により、プラズマが非対称な形状に強制され、多くの場合、チャンバーの上部と下部に押し込まれます。[ 106 ]
プラズマが容器壁に接触すると、急速な冷却、すなわち「熱クエンチング」が起こります。大規模ディスラプションの場合、通常、プラズマが集中するにつれてプラズマ電流が一時的に増加します。クエンチングは最終的にプラズマ閉じ込めを破壊します。大規模ディスラプションの場合、電流は再び低下し、「電流クエンチ」が起こります。電流の初期増加はVDEでは見られず、熱クエンチと電流クエンチは同時に発生します。[ 106 ]どちらの場合も、プラズマの熱負荷と電気負荷が急速に原子炉容器に蓄積され、原子炉容器はこれらの負荷を処理できなければなりません。ITERは、その寿命中に2600回のこのようなイベントを処理できるように設計されています。[ 107 ]
ITERのような高エネルギー装置では、プラズマ電流が15メガアンペア程度に達するため、大規模なディスラプション中に電流が一時的に増加すると、臨界閾値を超える可能性があります。これは、電流が電子に及ぼす力が、プラズマ中の粒子間の衝突による摩擦力よりも大きい場合に発生します。この場合、電子は相対論的速度まで加速され、相対論的暴走電子雪崩と呼ばれる「暴走電子」が生成されます。これらは、電流が消滅してもエネルギーを保持します。[ 107 ]
閉じ込めが破綻すると、これらの暴走電子が原子炉の側面に衝突します。これらの電子は、狭い領域に12メガアンペアもの電流を流す可能性があり、これはどんな機械的解決策の能力をもはるかに超えています。[ 106 ]有名な事例の一つとして、トカマク・ド・フォンテーヌ・オー・ローズでは、暴走電子が真空チャンバーに穴を開けるという大きな障害が発生しました。[ 107 ]
トカマクでは、数パーセントのショットで大規模なディスラプションが頻繁に発生します。損傷はしばしば大きいですが、劇的なことはまれです。ITERでは、大規模なディスラプションが発生するとチャンバーが損傷し、装置を修復する見込みがないと予想されています。[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]暴走電子の影響に対抗するシステムの開発は、ITERにとって必須の技術と考えられています。[ 107 ]
中心電流密度の振幅が大きいと、内部の乱れや鋸歯状の構造が生じることもあり、これは一般的に放電を終結させるものではありません。[ 111 ]
プラズマ電流と小半径に依存する境界であるグリーンウォルド限界を超える密度は、通常、ディスラプションを引き起こします。[ 112 ] [ 113 ] 10倍を超えることもありますが、[ 114 ]プラズマ流の遷移現象を説明する重要な概念であり、まだ理解する必要があります。[ 115 ] [ 116 ]
稼働中の核融合炉では、生成されたエネルギーの一部は、新たに導入される重水素と三重水素のプラズマ温度を維持するために使われます。しかし、原子炉の起動時、つまり初期状態または一時的な停止後には、プラズマを10 keV（摂氏1億度以上）を超える動作温度まで加熱する必要があります。現在のトカマク（およびその他の）磁気核融合実験では、プラズマ温度を維持するのに十分な核融合エネルギーが生成されないため、外部から継続的に加熱する必要があります。中国の研究者らは2006年に実験用先進超伝導トカマク（EAST）を設置し、2018年11月の試験によると、水素原子間の核融合を開始するために摂氏1億度のプラズマ温度を維持できるとされています。
プラズマは電気伝導体であるため、電流を流すことでプラズマを加熱することが可能です。ポロイダル磁場の大部分を発生させる誘導電流は、初期加熱の主要な源でもあります。
誘導電流によって生じる加熱は、オーム加熱（または抵抗加熱）と呼ばれ、電球や電気ヒーターで起こる加熱と同じ種類です。発生する熱量は、プラズマの抵抗と流れる電流の量に依存します。しかし、加熱されたプラズマの温度が上昇するにつれて抵抗は減少し、オーム加熱の効果は低下します。トカマクにおいてオーム加熱によって達成可能なプラズマの最高温度は、摂氏2000万～3000万度であると考えられています。さらに高い温度を得るには、追加の加熱方法を用いる必要があります。
プラズマトーラスに接続された電磁巻線に流れる電流を連続的に増加させることで電流が誘起される。プラズマは変圧器の二次巻線と見なすことができる。一次巻線に流れる電流には限界があるため、これは本質的にパルス状のプロセスである（長時間のパルスにも他の制限がある）。したがって、トカマクは短時間で運転するか、加熱および電流駆動のための他の手段に頼る必要がある。
気体は急激な圧縮によって加熱される。同様に、プラズマも閉じ込め磁場を強めて急速に圧縮すると温度が上昇する。トカマクでは、プラズマをより強い磁場領域（すなわち、半径方向内側）に移動させることで、この圧縮が実現される。プラズマの圧縮によってイオン同士が接近するため、このプロセスには核融合炉に必要な密度を達成しやすくなるという利点もある。
磁気圧縮は、初期の「トカマク開発ラッシュ」における研究分野の一つであり、主要な設計の一つであるATCの設計目的であった。その後、この概念は広く用いられることはなかったが、やや類似した概念はジェネラル・フュージョンの設計の一部となっている。
中性粒子ビーム入射とは、トカマク装置内のオーム加熱され、磁場によって閉じ込められたプラズマに、高エネルギー（高速で移動する）原子または分子を導入するプロセスである。
高エネルギー原子は、アークチャンバー内でイオンとして生成され、高電圧グリッドセットを通して引き出されます。「イオン源」という用語は、一般的に、電子放出フィラメント、アークチャンバー、および抽出グリッドのセットからなる装置を指します。概念的には同様の2番目の装置は、電子を同じエネルギーまで個別に加速するために使用されます。電子の質量がはるかに軽いため、この装置はイオン源に比べてはるかに小型です。2つのビームは交差し、そこでイオンと電子が再結合して中性原子となり、磁場を通過できるようになります。
中性粒子ビームがトカマクに入ると、プラズマの主イオンとの相互作用が生じる。これには2つの効果がある。1つは、注入された原子が再電離して帯電し、原子炉内に閉じ込められて燃料質量が増加することである。もう1つは、イオン化の過程が燃料の残りの部分との衝突によって起こり、これらの衝突によって燃料にエネルギーが蓄積され、加熱されることである。
この加熱方式は、オーム加熱方式とは異なり、固有のエネルギー（温度）制限はありませんが、その速度はインジェクタの電流に制限されます。イオン源の抽出電圧は通常50～100 kV程度で、ITER向けには高電圧の負イオン源（-1 MV）が開発されています。パドヴァのITER中性粒子ビーム試験施設は、最初に運転を開始するITER施設となります。[ 117 ]
中性粒子ビーム入射は主にプラズマ加熱に用いられるが、2～10ミリ秒の短いビームパルスを連続して生成することで、診断ツールやフィードバック制御にも利用できる。中性粒子ビーム加熱システムでは重水素が主要な燃料であり、水素やヘリウムは特定の実験で用いられることもある。
高周波電磁波は、トーラスの外側にある発振器（多くの場合、ジャイロトロンまたはクライストロン）によって生成されます。波が適切な周波数（または波長）と偏光を持っている場合、そのエネルギーはプラズマ中の荷電粒子に伝達され、荷電粒子は他のプラズマ粒子と衝突することで、プラズマ全体の温度を上昇させます。電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）やイオンサイクロトロン共鳴加熱など、さまざまな技術が存在します。このエネルギーは通常、マイクロ波によって伝達されます。
トカマクの真空チャンバー内で発生するプラズマ放電は、高エネルギーのイオンと原子から構成されます。これらの粒子から放出されたエネルギーは、放射、衝突、または閉じ込め不足によって最終的にチャンバーの内壁に到達します。粒子から発生した熱は、チャンバーの内壁を通して伝導によって水冷システムに送られ、そこで加熱された水は対流によって外部冷却システムへと送られます。
ターボ分子ポンプまたは拡散ポンプは、バルク容積から粒子を排出することを可能にし、液体ヘリウムで冷却された表面からなる極低温ポンプは、凝縮が起こるためのエネルギーシンクを提供することで、放電全体にわたって密度を効果的に制御する役割を果たします。正しく行われると、核融合反応は大量の高エネルギー中性子を生成します。中性子は電気的に中性で比較的小さいため、磁場の影響を受けず、周囲の真空チャンバーによってもほとんど妨げられません。
トカマクを全方向から囲む専用の中性子遮蔽壁では、中性子束が大幅に低減されます。遮蔽材は様々ですが、一般的には中性子の大きさに近い原子で構成された材料が用いられます。これは、中性子とそのエネルギーを最も効率的に吸収できるためです。有望な材料としては、水やプラスチックなど、水素を多く含むものが挙げられます。ホウ素原子も中性子をよく吸収します。そのため、ホウ素を添加したコンクリートやポリエチレンは、安価な中性子遮蔽材として利用できます。
いったん放出された中性子は、約10分という比較的短い半減期を経て、エネルギーを放出しながら陽子と電子に崩壊します。トカマク型原子炉で実際に発電を試みる際には、核融合反応で生成された中性子の一部が液体金属ブランケットに吸収され、その運動エネルギーが熱伝達プロセスに利用されて最終的に発電機を回転させます。
（操業開始の時系列順）
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