2015 Fiscal Year Annual Research Report
2次元画像比較を駆使した超高磁場リコネクションの巨大加熱・加速の解明と応用開拓
Project/Area Number |
15H05750
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Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
小野 靖 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井 通暁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00324799)
田辺 博士 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (30726013)
清水 敏文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (60311180)
原 弘久 国立天文台, SOLAR-C準備室, 准教授 (20270457)
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Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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Keywords | 磁気リコネクション / 高磁場プラズマ合体 / イオン加速・加熱 / 電子加速・加熱 / 2次元画像比較 / 2次元イオンドップラー計測 / 2次元トムソン散乱計測 / リコネクション応用開拓 |
Outline of Annual Research Achievements |
初年度は,合体トカマクのポロイダル磁場向上のためのコイル系,電源系に加え,計測系のインフラ作りが急進展した。内側内部コイル設置が生成効率を10%上げる点を見出し,コイル系,電源系に反映させ,電源系も所有の16kV, 0.4MJに加え,40kV, 20kV, 10kVの合計1MJのコンデンサーを他機関から取得し,総エネルギー1.4MJのシステムを自作した。ポロイダルコイル6基もケーブル巻線製から銅ロッド製に組み直し,力学性能が格段に向上した。トロイダルコイルも強化,平衡磁場コイル電源も高エネルギー密度の電気二重層型コンデンサーを採用・自作し,0.5Tを越える高ポロイダル磁場を得る見通しがついた。 2次元高精細計測の整備も,従来7×5点であったドップラートモグラフィー型イオン温度計測をまず32×10点,次に32×16点に高精細化してX点下流のイオン加熱領域の傾きを実測した他,16×n点の2次元システム構築ための16点のトムソン散乱計測を成功させ,X点にピークした電子温度分布を見出し,粒子シミュレーションや太陽観測と一致することを報告した。 以上の成果は内外の注目を集め,日本政府主催のInternational Cool Earth Forumで小野が核融合セッション講演を任されたほか,米国物理学会年会,球状トカマク国際会議, ISSS国際会議,IPELS2015国際会議,MR2016・MR2017国際会議,韓国物理学会等の招待講演,Physics of Plasma誌招待論文,新聞報道2回,英国チャンネル4のTV放映,ドップラートモグラフィー計測に対するプラズマ核融合学会の学術奨励賞も受賞し,内外から評価されている。リコネクション加熱は核融合ベンチャー企業の次期装置で採用されて応用開拓も急進展し,以上の成果を中心にMR2017国際会議を松山市において主催し,盛況であった。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度,高磁場実験開始のため,内側ポロイダルコイルを設置してプラズマ生成効率が10%向上したほか,外部からコンデンサー移設とシステム自作により,計画を大幅に上まわる1.4MJのコンデンサー電源の完成,ポロイダルコイルをすべて銅ロッドで再構成して力学強度を大幅に強化したことは大きな成果である。 目玉のドップラートモグラフィー型イオン温度計測の500チャンネル化,レーザの往復反射で16×n点に拡張できるトムソン散乱型電子温度・密度計測の16チャンネル化を成功させ,研究は急進展した。コイルのポロイダル磁場も0.5kGを上まわったため,現在,0.02Tから徐々にポロイダル磁場を上昇させながら,イオン,電子の加速・加熱特性の検証を進め,粒子シミュレーションや太陽観測と比較して成果をあげている。特にガイド磁場に起因するホール効果によってX点下流のイオン加熱領域がねじれる効果や,X点に強くピークした電子温度分布,それを説明するX点付近の電界効果等々,物理的な発見があり,それぞれ学会の招待講演として評価されている。 本研究に対する学会での注目度は高く,これまでに日本政府主催のICEF会議の核融合セッションを任された(招待講演)他,招待講演23件,招待論文2件,新聞報道2件,海外TV放映1件があり,計画以上の成果といえる。東大独自のドップラー型2次元イオン温度計測も評価され,プラズマ核融合学会の授賞,招待講演となった他,依頼により,本研究の一連の成果を中心に据えたMR2017国際会議の松山市において主催したことから,当初計画を上まわる成果をあげたと判断できる。応用開拓でもリコネクション加熱による核融合炉点火のアイデアが英国ベンチャー企業Tokamak Energy社が数億円をかける次期プロジェクトST-40実験に採用され,東京大学のプラン・技術支援がはじまり,実用化も新しい展開につながった。
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Strategy for Future Research Activity |
これまで合体実験の高磁場化のインフラ作りを遂行した結果,計画を上まわるコンデンサー電源,ポロイダルコイル系を整備,高効率の合体プラズマ生成も可能になった。計測の目玉の2次元ドップラー型高精細イオン温度計測の整備は計画以上に進んでいる。 既に成果は多数の招待講演,論文やプラズマ核融合学会学術奨励賞や会議主催につながったので,今後は更に1)2次元計測の500点を超える高精細化によるイオンラーマ半径程度の分解能の確保,さらに2)温度計測を粒子速度計測に拡張して高エネルギー粒子の検出につなげ,3)粒子シミュレーションや太陽衛星観測との比較を本格化していく予定である。特に受賞したベクトルトモグラフィー型のイオン温度・流速計測の内,難易度の高いイオン流速計測をチャンネル数の増加によって本格化させる。トムソン散乱の拡張による非等方温度の計測とX線計測による電子加速の検出にも注力し,ポロイダル磁場を従来の0.02Tの低磁場側から徐々に引き上げて検出を容易にする予定である。 また,4)東京大学の実験担当者を核融合科学研究所の粒子シミュレーショングループに派遣し,シミュレーション自体を実験と直接比較可能なものに代えて同じ土俵での2次元比較を可能にし,5)太陽観測もドップラー計測,X線計測,磁場計測(マグネトグラム)に注目し,観測・実験担当者が宇宙科学研究所,国立天文台,東京大学を相互訪問して,実験・観測との2次元比較を行う予定である。 応用開拓は東大のアイデアであるリコネクション加熱の核融合点火への応用を中心に英国ベンチャーTokamak Energy社とも協力して計画を進める予定である。
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Research Products
(69 results)
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[Journal Article] Investigation of Merging/reconnection Heating during Solenoid-free Startup of Plasmas in the MAST Spherical Tokamak2017
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, K. Gi, T. Watanabe, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, C. Michael, B. Crowley, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. McClements, J. Harrison, T. O'Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 57
Pages: 056037
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Recent progress of magnetic reconnection research in the MAST spherical tokamak (Invited)2017
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada , T. Watanabe , K. Gi , M. Inomoto , R. Imazawa , M. Gryaznevich , C. Michael , B. Crowley , N. J. Conway , R. Scannell , J. R. Harrison , I. Fitzgerald , A. Meakins , N. C. Hawkes , K. G. McClements , T, O Gorman , C,Z. (Frank) Cheng , Y. Ono , the MAST team
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 24
Pages: 056108
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Reconnection Heating Experiments and Simulations for Torus Plasma Merging Startup2016
Author(s)
Y. Ono, T. Yamada, S. Inoue, M. Inomoto, C. Z. Cheng, M. Gryaznavich, R. Scannell, N. J. Conway, B. Crowley, C. Michael, H. Hara, S. Usami and R. Horiuchi
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Journal Title
Fusion Energy 2016
Volume: 1
Pages: EX/P3-38 (8pp)
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Application of Tomographic Ion Doppler Spectroscopy to Merging Plasma Startup in the MAST Spherical Tokamak2016
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, B. Crowley, K. G. McClements, I. Fitzgerald, C. Michael, J. Harrison, A. Meakins, N. Hawkes, T. O’Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono, and the MAST Team
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Journal Title
Plasma and Fusion Research
Volume: 11
Pages: 1302093
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Investigation of Merging/reconnection Heating during Solenoid-free Startup of Plasmas in the MAST Spherical Tokamak2016
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, K. Gi, T. Watanabe, K. Kadowaki, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, C. Michael, B. Crowley, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman, C. Z. Cheng and the MAST team
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Journal Title
Fusion Energy 2016
Volume: 1
Pages: EX/P4-32 (8pp)
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] High Power Heating of Magnetic Reconnection in Merging Tokamak Experiments (Invited)2015
Author(s)
Y. Ono, H. Tanabe, T. Yamada, K. Gi, T. Watanabe , T. Ii, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley, C. Michael
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 22
Pages: 55708
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Electron and Ion Heating Characteristics during Magnetic Reconnection in the MAST Spherical Tokamak2015
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. J. Conway, R. Scannell, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono and The MAST Team
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 115
Pages: 215004
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Centre-solenoid-free merging start-up of spherical tokamak plasmas in UTST2015
Author(s)
M. Inomoto, T.G. Watanabe, K. Gi, K. Yamasaki, S. Kamio, R. Imazawa, T. Yamada, X. Guo, T. Ushiki, H. Ishikawa, H. Nakamata, N. Kawakami, T. Sugawara, K. Matsuyama, K. Noma, A. Kuwahata and H. Tanabe
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 44
Pages: 33013
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Laboratory study of diffusion region with electron energization during high guide field reconnection2015
Author(s)
K. Yamasaki, S. Inoue, S. Kamio, TG. Watanabe, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, K. Matsuyama, N. Kawakami, T. Yamada, M. Inomoto, Y. Ono
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 22
Pages: 101202
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Overview of MAST results2015
Author(s)
I.T. Chapman, J. Adamek, R.J. Akers, S. Allan , T. O'Gorman, Y. Ono H. Oliver, S. Pamela,J. Storrs, Y. Takase, H. Tanabe, H. Tanaka, D. Taylor, T. Yamada, S. Zoletnik and MAST and MAST Upgrade Teams,
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 55
Pages: 104008
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Fine structure formation of high field reconnection experiment in MAST and Univ. Tokyo (invited2017
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, H. Koike, A. Kuwahata, H. Yamanaka, K. Kimura, M. Narita, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, T. O'Gorman, K. G. McClements, C. Z. Cheng, Y. Ono and the MAST team)
Organizer
MR2017 Conference (US-Japan workshops and schools on magnetic reconnection)
Place of Presentation
ひめぎんホール, 松山,愛媛
Year and Date
2017-03-19 – 2017-03-23
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] High Power Heating of Magnetic Reconnection in TS, MAST and ST-40 Experiments2017
Author(s)
Y. Ono, H. Tanabe, S. Inoue, K. Gi, X. Guo, R. Horiuchi, S. Usami, C.Z. Cheng, M. Gryaznevich
Organizer
MR2017 Conference (US-Japan workshops and schools on magnetic reconnection)
Place of Presentation
ひめぎんホール, 松山,愛媛
Year and Date
2017-03-19 – 2017-03-23
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Development of High-Field ST Merging Experiment: TS-U for High Power Reconnection Heating2016
Author(s)
Y. Ono, H. Koike, Tanabe, S. Himeno, S. Ishida, K. Kimura, M. Kawanami, M. Narita, Y. Takahata, T. Yokoyama, M. Inomoto, C. Z. Cheng
Organizer
58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
Place of Presentation
San Jose, CA, USA
Year and Date
2016-10-31 – 2016-11-04
Int'l Joint Research
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[Presentation] Reconnection Heating Experiments and Simulations for Torus Plasma Merging Startup2016
Author(s)
Y. Ono, T. Yamada, S. Inoue, M. Inomoto, C. Z. Cheng, M. Gryaznavich, R. Scannell, N. J. Conway, B. Crowley, C. Michael, H. Hara, S. Usami and R. Horiuchi
Organizer
Fusion Energy Conference 2016
Place of Presentation
Kyoto Convension Center, Kyoto, Japan
Year and Date
2016-10-17 – 2016-10-22
Int'l Joint Research
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[Presentation] Investigation of merging/reconnection heating during solenoid-free startup of plasmas in the MAST spherical tokamak2016
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, K. Gi, K. Kadowaki, M. Gryaznavich, R. Scannell, N. J. Conway, C. Michael, B. Crowley, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakings, N. Hawkins, K. Mcclrmrntd, T. O’gorman and C. Z. Cheng
Organizer
Fusion Energy Conference 2016
Place of Presentation
Kyoto Convension Center, Kyoto
Year and Date
2016-10-17 – 2016-10-22
Int'l Joint Research
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[Presentation] Experimental study of electron acceleration mechanism during high guide field reconnection2016
Author(s)
K. Yamasaki, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, Y. Fukai, H. Yamanaka, R. Tamura, S. Kamio, T. Yamada, M. Inomoto and Y. Ono
Organizer
East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas
Place of Presentation
Epochal Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki
Year and Date
2016-07-11 – 2016-07-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] 磁気リコネクションにおけるプラズマ加熱2016
Author(s)
田辺 博士, 山田 琢磨, 渡辺 岳典, 魏 啓為 , 門脇 和丈, 井通暁, 今澤良太, M. Gryaznevich, the MAST team, C. Z. Cheng, 小野 靖
Organizer
磁気リコネクション研究の最前線と今後の展望
Place of Presentation
国立天文台, 東京都三鷹市
Year and Date
2016-03-08 – 2016-03-08
Invited
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[Presentation] Impulsive Reconnection driven by Multiple Plasmoid Ejections in Solar Flares and Laboratory Experiments2016
Author(s)
N. Nishizuka, H. Hayashi, H. Tanabe, A. Kuwahata, Y. Kamino, Y. Ono, M. Inomoto, T. Shimizu
Organizer
MR2016 Conference (US-Japan workshop on Magnetic Reconnection)
Place of Presentation
Andaz Napa, Napa, CA, USA
Year and Date
2016-03-07 – 2016-03-11
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] High Power Heating of Magnetic Reconnection in Tokamak Merging Experiments2016
Author(s)
Y. Ono, H. Tanabe, T. Yamada., K. Yamasaki, K. Gi, T. Ii, M. Inomoto, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley and C. Michael
Organizer
MR2016 Conference (US-Japan workshop on Magnetic Reconnection)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Recent progress of high field reconnection heating experiment in MAST2016
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. J. Conway, R. Scannell, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman, C. Z. Cheng and Y. Ono
Organizer
MR2016 Conference (US-Japan workshop on Magnetic Reconnection)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Application of high power reconnection heating for solenoid-less startup of spherical tokamak in MAST2016
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley, C. Michael, K. G. McClements, M. Inomoto, C. Z. Cheng, Y. Ono and the MAST team
Organizer
The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] 大型球状トカマク合体実験MASTにおけるリコネクション加熱研究の進展(招待講演)2015
Author(s)
田辺 博士, 山田 琢磨, 渡辺 岳典, 魏 啓為, 門脇 和丈, 今澤 良太, Clive Michael, Brendan Crowley, Neil Conway, Rory Scannell, Mikhail Gryaznevich, 井 通暁, 小野 靖
Organizer
第32回プラズマ・核融合学会年会
Place of Presentation
名古屋大学,名古屋
Year and Date
2015-11-24 – 2015-11-27
Invited
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[Presentation] High Power Heating of Magnetic Reconnection in UTokyo Spherical Tokamak Merging Experiment: TS-U2015
Author(s)
Y. Ono, M. Kawanami, K. Kimur, R. Nakai, K. Nishida, R. Ishida, H. Yamanaka, A. Kuwahata, H. Tanabe, M. Inomoto, C. Z. Cheng
Organizer
57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
Place of Presentation
Savannah Convention Center, Savannah, GA, USA
Year and Date
2015-11-16 – 2015-11-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] High Power Heating of Magnetic Reconnection in ST Merging Experiments2015
Author(s)
Y. Ono, H. Tanabe, T. Yamada, K. Yamasaki, K. Gi, T. Ii, M. Inomoto, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley and C. Michael
Organizer
18th International Spherical Torus Workshop (ISTW 2015)
Place of Presentation
Princeton University, Princeton, USA
Year and Date
2015-11-03 – 2015-11-05
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Center-Solenoid-Free Merging Startup of STs by Outer PF Coils in UTST2015
Author(s)
M. Inomoto, K. Yamasaki, T. Ushiki, X. Guo, N. Kawakami, T. Sugawara, K. Matsuyama, A. Sato, K. Noma, Y. Fukai, H. Yamanaka, R. Tamura, A. Kuwahata, H. Tanabe, Y. Ono, T.I. Tsujimura1, S. Kamio, T. Yamada
Organizer
18th International Spherical Torus Workshop (ISTW 2015)
Place of Presentation
Princeton University, Princeton, USA
Year and Date
2015-11-03 – 2015-11-05
Int'l Joint Research
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[Presentation] Merging formation of high-beta ST as a target plasma for NBI2015
Author(s)
M. Inomoto, K. Yamasaki, T. Ushiki, X. Guo, N. Kawakami, T. Sugawara, K. Matsuyama, A. Sato, K. Noma, Y. Fukai, H. Yamanaka, R. Tamura, A. Kuwahata, H. Tanabe, Y. Ono,
Organizer
2015 US-Japan compact torus workshop
Place of Presentation
Nihon University, Tokyo
Year and Date
2015-09-08 – 2015-09-11
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Electron and ion heating characteristics during merging/reconnection startup of spherical tokamak in MAST2015
Author(s)
H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. Conway, R. Scannell and Y. Ono
Organizer
2015 International Workshop on Interrelationship between Plasma Experiments in the Laboratory and in Space
Place of Presentation
Atholl Palce Hotel, Pitlochry, UK
Year and Date
2015-08-24 – 2015-08-28
Int'l Joint Research
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