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Elucidation of plasma heating processes in sphetical tokamaks by particle models

Research Project

Project/Area Number 22K03581
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
Research InstitutionNational Institute for Fusion Science

Principal Investigator

宇佐見 俊介  核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (80413996)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 堀内 利得  核融合科学研究所, その他部局等, 名誉教授 (00229220)
森高 外征雄  核融合科学研究所, 研究部, 助教 (20554372)
小野 靖  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywordsイオン加熱 / リング速度分布 / 球状トカマク / 粒子シミュレーション / 磁気リコネクション / 加熱
Outline of Research at the Start

球状トカマクにおけるプラズマ合体を模擬した粒子シミュレーションを実施し、主に速度分布関数を解析することで、プラズマ加熱の根本機構を明らかにする。その上で、高温プラズマを作り出す効率のよい加熱条件を同定する。一方、用いる粒子コードの並列化・高速化や、可視化手法の開発も行う。また、東京大学の球状トカマク実験グループと、見出した加熱機構の検証、提案した条件での実験実施などの連携をする。

Outline of Annual Research Achievements

球状トカマクにおけるプラズマ合体は、磁気リコネクションにより、将来の核融合炉で必要とされる温度にまでプラズマを加熱する初期加熱手法として注目を集めているが、その具体的な加熱機構は未解明となっている。本研究では、粒子速度分布の面から運動論的な加熱機構を解明することをめざして、粒子シミュレーション、理論、さらに実験面とも連携して研究を進めている。昨年度にリング、部分リング型のイオン速度分布を見出し、イオンは実効的な加熱機構を受けていることを示したが、2023年度は、合体中と合体後におけるその違いを明確にした。合体中は、速度の大きなイオンが短時間、間欠的に供給されるため半径の大きな部分リング型が作られる一方、合体後は、速度の小さなイオンが長時間、継続的に供給されるため半径の小さな完全リング型が作られることを解明した。
また、リング型速度分布の研究から派生した「三日月型速度分布」に関するテーマに取り組んだ。2次元理論では既存の理論モデルを発展させ、ガイド磁場に相当する一様な磁場だけが存在し、リコネクション磁場に相当する反転磁場が存在しなくても、三日月型速度分布が形成されることを示した。3次元理論では、カノニカル運動量保存、エネルギー保存、磁気モーメント保存などに基づいて、三日月型速度分布の3次元構造を導出することに成功した。以上の理論を粒子シミュレーション結果と比較し、よい一致を見た。
粒子シミュレーションモデルの発展面としては、これまでは「球状トカマク配位」のみを扱ってきたが、実験面からの要請もあり、「スフェロマック配位」も扱えるようにコードを拡張し、そのシミュレーションを実施するところまで進めることができた。実験面では測定装置の改良を継続し、シミュレーションデータとの比較を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

球状トカマク合体の粒子シミュレーション研究面では、イオン加熱機構の探求を進め、マクロな視点では圧縮加熱を運動論的な視点で解明し、リング型速度分布の詳細な形成メカニズムを示すことができた。その反面、マクロな視点における粘性加熱を運動論的な視点から完全に解明するまでには至らず、当初計画よりも遅れていると言える。
その一方、シミュレーションコードの改良面では大きな進捗が見られた。これまで採用してきた球状トカマク配位だけでなく、スフェロマック配位でのプラズマ合体も扱えるようにコードを改良したこと、さらに実際にそのような粒子シミュレーションを実施して、イオン加熱に関して実験面との最初の比較をするところまで進めたことは予想以上の進捗であった。
また、上述したリング型速度分布から派生した研究テーマである、三日月型粒子速度分布に関しては大きな成果を得ることができた。特に、分野間横断研究テーマとなったことは当初計画以上の進捗である。中でも、既存の理論や人工衛星での観測によって導かれていた「三日月型速度分布の形成には、磁場反転などの磁場の空間的な変化が必要である」という定説を覆したことは、非常に大きな波及効果を持つ重要な成果である。この三日月型速度分布は、リング速度分布と同時に存在することが多いことから、球状トカマク合体においても三日月型粒子速度分布が形成されうることを示す成果にもなった。
以上から総合すると、全体としては本研究課題の進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後も、球状トカマク装置内部において、磁気リコネクションによってプラズマが合体する実験を模擬した粒子モデルの改良を行いながら、そのモデルを用いた粒子シミュレーションを行い、シミュレーション・理論・実験との連携を深めてプラズマ合体における加熱過程の解明を進めて、効率のよい、あるいはより高温に達する加熱条件を探求する。特に、球状トカマク配位だけではなく、スフェロマック配位におけるプラズマ合体について、様々なパラメータ下で多数の粒子シミュレーションランを行い、加熱の密度、磁場強度などのパラメータ依存性を探求する予定である。その際には、速度分布関数解析に加えて、粒子個々の起動・運動を追跡する手法や、実験面から提案された新しい物理指標を用いることで、機構解明にアプローチすることも計画している。さらに、スフェロマック配位の場合には、2つのプラズマにおけるトロイダル磁場が同じ方向の「同極性合体」と反対方向の「異極性合体」があり、異極性合体のプラズマ合体実験では、解放される磁場エネルギーが大きいことから、強い加熱が起こる場合があるとの報告がある。このことから、異極性合体における加熱機構を重点的に粒子シミュレーションで調べる計画である。他にも、粒子シミュレーションにてプラズマが合体する速度を人為的にコントロールする手法などの開発を進め、東京大学の球状トーラス装置TS-6などで実施されている実際の実験により近い状況を模擬できるようにしていく予定である。
また、用いているシミュレーションコードの高速化・並列化をさらに推し進めつつ、ベクトルマシンである核融合科学研究所のスーパーコンピュータとは別種類の大型計算機でも、効率よく粒子シミュレーションが行えるように、コード移植、汎用化にも取り組む。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (47 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 3 results) Presentation (37 results) (of which Int'l Joint Research: 23 results,  Invited: 15 results)

  • [Journal Article] Three-dimensional crescent-shaped ion velocity distributions created by magnetic reconnection in the presence of a guide field2024

    • Author(s)
      Usami Shunsuke、Zenitani Seiji
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 31 Issue: 2 Pages: 022102-022102

    • DOI

      10.1063/5.0171785

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Design and development of a single-laser 2D Thomson scattering measurement system for TS-6 merging tokamak/magnetic reconnection experiments2024

    • Author(s)
      Kamiya S.、Yamaguchi H.、Kim J.、Akimitsu M.、Himeno S.、Tanabe H.、Narihara K.、Ono Y.
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 19 Issue: 01 Pages: C01043-C01043

    • DOI

      10.1088/1748-0221/19/01/c01043

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  • [Journal Article] Development of Cost-Effective Polychromator System with Two Angled Filters for Thomson Scattering Measurement System2023

    • Author(s)
      KIM Jungkyun、KAMIYA Shun、YAMAGUCHI Haruka、TANABE Hiroshi、ONO Yasushi
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 18 Issue: 0 Pages: 1301015-1301015

    • DOI

      10.1585/pfr.18.1301015

    • ISSN
      1880-6821
    • Year and Date
      2023-03-03
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Investigation of Quadrupole Potential Dependency on Reconnecting Magnetic Field during Tokamak Merging / Reconnection2023

    • Author(s)
      Tanaka Haruaki、Cai Yunhan、Tanabe Hiroshi、Ono Yasushi
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      Volume: 143 Issue: 2 Pages: 63-64

    • DOI

      10.1541/ieejfms.143.63

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • Year and Date
      2023-02-01
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bifurcated Merging Opearation of Two Merging Spherical Tokamak Plasmas for Reconnection Heating and Helicity Injection2023

    • Author(s)
      Y. Ono, H. Tanaka, S. Kamiya, S. Inoue, R. Horiuchi, S. Usami. C. Z. Cheng
    • Journal Title

      Fusion Energy 2023

      Volume: 1

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ion heating/transport characteristics of merging startup plasma scenario in the TS-6 spherical tokamak2023

    • Author(s)
      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, Y. Ono
    • Journal Title

      Fusion Energy 2023

      Volume: 1

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Role of in-plane electric field during merging formation of spherical tokamak plasmas2023

    • Author(s)
      M. Inomoto, E. Kawamori, H. Jin, K. Nakatsukasa, R. Yanai, S. Usami, T. Suzuki
    • Journal Title

      Fusion Energy 2023

      Volume: 1

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A Cost-Effective Polychromator with a Single Interference Filter for Thomson Scattering Diagnostics2023

    • Author(s)
      Kamiya Shun、Yamaguchi Haruka、Kim Jungkyun、Himeno Shun-ichi、Tanabe Hiroshi、Ono Yasushi
    • Journal Title

      Journal of Fusion Energy

      Volume: 42 Issue: 2 Pages: 32-32

    • DOI

      10.1007/s10894-023-00371-x

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 1D profile measurement of ion velocity distribution with glass-tube-pair type Doppler probe array2023

    • Author(s)
      Ryo Someya, Itsuki Nakau, Yunhan Cai, Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 30 Issue: 6 Pages: 060701-060701

    • DOI

      10.1063/5.0153171

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reconstruction of the Internal Magnetic Configuration of Two Merging Spherical Tokamak Plasmas by External Probe Measurement and MHD Simulation2022

    • Author(s)
      Tara Ahmadi, Yasushi Ono, Hiroshi Tanabe, Yunhan Cai
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering

      Volume: ----- Issue: 8 Pages: 1231-1233

    • DOI

      10.1002/tee.23614

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 球状トカマク合体におけるイオン加熱機構の粒子シミュレーション研究2024

    • Author(s)
      宇佐見俊介、堀内利得、森高外征雄
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
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  • [Presentation] Three-Dimensional Ion Crescent-Shaped Velocity Distribution in Magnetic Reconnection2023

    • Author(s)
      Shunsuke Usami, Seiji Zenitani
    • Organizer
      The 42nd JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2023)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pseudo-Maxwellian and Ring Velocity Distributions in Magnetic Reconnection2023

    • Author(s)
      S. Usami, R. Horiuchi
    • Organizer
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ガイド磁場磁気リコネクションで形成されるイオン三日月型速度分布2023

    • Author(s)
      宇佐見俊介、銭谷誠司
    • Organizer
      プラズマシミュレータシンポジウム2023
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  • [Presentation] Scaling Study of Reconnection Heating in Tokamak Merging Experiments and Simulations2023

    • Author(s)
      Yasushi Ono
    • Organizer
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Active Control of Parallel Electric Field to Enhance Particle Acceleration in Guide Field Reconnection2023

    • Author(s)
      Michiaki Inomoto, Yasushi Ono
    • Organizer
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High field particle acceleration/heating experiment in keV regime2023

    • Author(s)
      Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
    • Organizer
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Merging of Two Tokamak Plasmas for High-Power Ion Heating, Magnetic Helicity Injection and Plasma Flow-Drive2023

    • Author(s)
      Yasushi Ono
    • Organizer
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of 2D Thomson Scattering Measurement System Using Multiple Reflections and Time-of-Flight of Laser Light2023

    • Author(s)
      S. Kamiya, H. Yamaguchi, J. Kim, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • Organizer
      20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高ガイド磁場リコネクションのイオン加熱特性の 2 次元高精細計測2023

    • Author(s)
      好永 るり佳,道家友香,大濱由寛,西堂佑亮,染谷諒,田辺博士,小野靖
    • Organizer
      第40回プラズマ・核融合学会年会
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  • [Presentation] イオン流速と電磁場分布計測によるトカマク合体リコネクションアウトフローの研究2023

    • Author(s)
      染谷諒、申益炯、蔡雲漢、好永るり佳、田辺博士、小野靖
    • Organizer
      第40回プラズマ・核融合学会年会
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  • [Presentation] PIC シミュレーションを用いた非対称合体スフェロマックの FRC への緩和現象の検証2023

    • Author(s)
      伊藤将太、小野靖
    • Organizer
      「高ベータトーラスプラズマの学理と応用」研究会
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  • [Presentation] 球状トカマク合体生成シナリオ研究の最近の進展2023

    • Author(s)
      田辺博士, Mikhail Gryaznevich, Dmitry Osin, Hannah Willet, Hazel Lowe, 井通暁, 小野靖
    • Organizer
      第19回QUEST研究会
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    • Invited
  • [Presentation] 合体・磁気リコネクションの活用したFRC研究2023

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      小野靖
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      「高ベータトーラスプラズマの学理と応用」研究会
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  • [Presentation] 磁気リコネクション下流における イオン三日月型速度分布の形成過程2023

    • Author(s)
      宇佐見俊介、銭谷誠司
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
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  • [Presentation] High Power Reconnection Heating and Acceleration in UTokyo Tokamak Merging Experiments2022

    • Author(s)
      Yasushi Ono, Shinjiro Takeda, Haruaki Tanaka, Moe Akimitsu, Ryo Someya, Shun Kamiya, Tara Ahmadi, Kurumi Doi, Haruka Yamaguchi, Yunhan Cai, Jungkyun Kim, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng
    • Organizer
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
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  • [Presentation] Merging Formation of High-Beta Spherical Tokamak with Absolute Minimum-B in TS-6 merging experiment2022

    • Author(s)
      Yasushi Ono, Haruaki Tanaka, Shun Kamiya, Haruka Yamaguchi, Jungkyun Kim, Yunhan Cai, Ryo Someya, Shinjiro Takeda, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng
    • Organizer
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
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  • [Presentation] Influence of in-plane electrostatic potential on the ion heating characteristi during ST merging2022

    • Author(s)
      H. Tanaka, H. Tanabe, Y. Ono
    • Organizer
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
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  • [Presentation] 高ガイド磁場リコネクションによる巨視的領域におけるイオン加速・加熱機構の解明2022

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      田中遥暁、田辺博士、蔡雲漢、竹田慎次朗、Tara Ahmadi、小野靖
    • Organizer
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
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  • [Presentation] 磁気リコネクションで形成されるイオンの三日月型速度分布2022

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      宇佐見俊介、銭谷誠司、堀内利得
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  • [Presentation] リング速度分布と疑似マクスウェル速度分布の関係 -磁気再結合を例にして-2022

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      宇佐見俊介、堀内利得
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      プラズマシミュレータシンポジウム2022
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      R. Someya, I. Nakau, Y. Funato, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
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      R. Someya, I. Nakau, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
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      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
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  • [Presentation] Experimental Study of Reconnection Heating and Acceleration by Glass-Tube-Pair Type Doppler Probe Array2022

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      R. Someya, I. Nakau, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
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  • [Presentation] Scaling Study of Reconnection Heating in Merging Tokamak Experiments and Simulations2022

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      Y. Ono, H. Tanaka, H. Tanabe, M. Inomoto, M. Akimitsu, S. Inoue, R. Horiuchi, S. Usami, C. Z. Cheng
    • Organizer
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  • [Presentation] Current Sheet Structure and Plasma Heating in Magnetic Reconnection2022

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      C. Z. Cheng, Y. Ono, H. Tanabe, S. Inoue, R. Horiuchi, S. Usami
    • Organizer
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  • [Presentation] イオン速度分布関数の径方向分布計測によるトカマク合体リコネクションのイオン加速・加熱機構の検証2022

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      染谷諒、中右樹、蔡雲漢、田辺博士、小野靖
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      第39回プラズマ・核融合学会年会
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  • [Presentation] マルチ軟X線カメラによるトカマク合体中の高エネルギー電子のイメージング計測2022

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      竹田慎次朗,奥西衛門,蔡雲漢,田辺博士,小野靖
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      第39 回プラズマ・核融合学会年会
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  • [Presentation] Global ion heating/transport process of magnetic reconnection in flux tube merging experiments2022

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      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, M. Gryaznevich, C. Z. Cheng, M. Inomoto and Y. Ono
    • Organizer
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
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  • [Presentation] Recent progress of guide field reconnection research in merging spherical tokamak formation2022

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      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, R. Someya, S. Takeda, M. Gryaznevich, C. Z. Cheng, H. Park, M. Inomoto and Y. Ono
    • Organizer
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2022)
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  • [Presentation] Guide-field dependence of a merging process of two spherical-tokamak-type plasmoids2022

    • Author(s)
      R. Horiuchi, T. Moritaka, S. Usami, and Y. Ono
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      27th International Conference of Numerical Simulation of Plasmas (ICNSP2022)
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  • [Presentation] Guide-field dependence of a merging process of two spherical-tokamak-type plasmoids2022

    • Author(s)
      R. Horiuchi, T. Moritaka, S. Usami, H. Tanabe, and Y. Ono
    • Organizer
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics, (AAPPS-DPP2022)
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Recent Progress of Merging Spherical Tokamak Formation Experiments ~ Global-scale Ion Heating/Transport during Magnetic Reconnection ~2022

    • Author(s)
      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, M. Gryaznevich, S. Mcnamara, C. Z. Cheng, M. Inomoto and Y. Ono
    • Organizer
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of Cost-Effective/Wavelength Tunable Polychromator System with Two Angled Filters for Thomson Scattering Diagnostics2022

    • Author(s)
      J. Kim, S. Kamiya, H. Yamaguchi, H. Tanabe, Y. Ono
    • Organizer
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TS-6 トカマク合体実験における電流シートのプラズモイド構造変化2022

    • Author(s)
      土井久瑠美, 秋光萌, 蔡雲漢,田辺博士, 小野靖
    • Organizer
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Multiple Plasmoid Formation and Current Sheet Dynamics of Two Merging Tokamak2022

    • Author(s)
      K. Doi, M. Akimitsu, Y. Cai, H. Tanabe and Y. Ono
    • Organizer
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First Detection of High- Energy Electrons at X-point of Merging Tokamak Plasmas2022

    • Author(s)
      S. Takeda, Y. Okunishi, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • Organizer
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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