ヘリカル／ステラレータを知る：定常運転の強みを、作れる発電所へ

らせん状の磁場を外部コイルでつくり、プラズマを長く保つ。ヘリカル／ステラレータ方式の魅力は、閉じ込めの仕組みそのものに定常運転との相性のよさがあることだ。日本のLHDとドイツのWendelstein 7-Xが蓄積した実験結果を土台に、民間企業は発電所の設計へ進もうとしている。そこで問われるのは、精緻な磁場を製造・保守できる設備へ変える力である。

「ヘリカル」と「ステラレータ」は、日本語の記事では近い意味で使われることもある。本稿では、外部コイル主体でねじれた磁場をつくる方式群として扱う。LHDのヘリオトロン型と、W7-Xの最適化されたモジュラー型ではコイル構成が違う。W7-Xの写真をLHDや日本企業の実機として示すことはできない。

「プラズマ電流が絶対にゼロ」という意味でもない。圧力の分布に由来するブートストラップ電流などは生じ得る。IPPはW7-Xの磁場設計について、粒子を良く閉じ込めることと、こうした電流を小さくすることを検証してきた。磁場最適化の検証

ただし、磁場を維持できることと、発電所が止まらず働くことは同義ではない。プラズマの加熱、燃料供給、熱と粒子の排出、磁石の冷却は必要であり、壁の損傷や機器交換も残る。研究の目標は、長時間の放電だけでなく、高い性能と機器への許容可能な負荷を同時に保つことだ。

同年6月3日の発表は、6月30日に追記された。JETの当時未公表だった長パルス結果を含めると、長時間の三重積ではW7-XとJETが並ぶ、という説明である。したがって「W7-Xが全条件でトカマクを超えた」とも「トカマク以外は高性能に届いていない」とも読めない。追記を含むIPPの成果報告

成果を支えたのは磁石だけではない。ORNLが開発したペレット入射装置による燃料供給と、マイクロ波加熱の精密な連携が重要だった。プラズマの物理、燃料を送り込む機構、計測、制御が一つの実験結果をつくる点に、産業上の広がりがある。

運転が終了しても、閉じ込め、加熱、計測、超伝導設備の経験や解析対象となるデータは残る。過去の装置が得た知見と、企業がこれから造る炉の設計・実証を分けて捉えると、日本の研究蓄積が事業にどう受け渡されるかを追いやすい。

装置の内側には、加熱、診断、燃料供給、排熱、保守のための開口部が要る。閉じ込め性能に優れた磁場でも、ブランケットを交換する経路を確保できなければ発電所として困る。磁場最適化と工学設計を一緒に進めるところが、計算、CAD、精密加工、溶接、非破壊検査の接点になる。

ドイツのProxima Fusionは、2025年にStellarisの概念設計を公表した。高温超伝導磁石と計算による最適化を、発電所の工学条件と結び付ける取り組みである。米Type One EnergyもInfinity Twoの物理設計基盤を公表し、プラズマ性能と発電設備としての要件を統合しようとしている。いずれも設計研究の成果と、実機の発電実証は分けて評価する。Stellarisの概念設計／Infinity Twoの物理設計

そのため、部品の寿命と交換時間は閉じ込め性能と同じくらい事業に効く。発電時間を延ばしても、交換に長く停止すれば年間の供給量は減る。液体金属や新しい磁石の採用は、有望さだけでなく、腐食、流動、接続、検査などの条件を伴う設計選択として読む必要がある。

トカマクには大規模D–T実験と調達の蓄積があり、レーザー方式には点火実証がある。ヘリカル／ステラレータの評価軸は、それらの一つの数字を追い越すことだけではない。定常運転との相性を、製造費、設備消費、保守性まで含む発電所の利点へ育てられるかを見たい。