2016 Fiscal Year Annual Research Report
Phyisics and Applications of High-Power Heating / Acceleration of Ultra-High Field Magnetic Reconnection by Use of 2D Imaging Measurements
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15H05750
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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) |
田辺 博士 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (30726013)
井 通暁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00324799)
原 弘久 国立天文台, SOLAR-C準備室, 准教授 (20270457)
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)
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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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
独自のドップラートモグラフィ型２次元イオン温度計測をマルチスリット化によって500点の高精細計測に高め，独自の2次元トムソン散乱型の電子温度・密度計測も35点の運用を開始し，軟Ｘ線画像計測も新規に立ち上げ，論文化に成功した。これらの2次元画像計測を用いてリコネクションの加熱・加速機構の解明を進め，
１）イオンのアウトフロー加速やショックによる熱化，シート電流による電子のオーム加熱を２次元高精細計測し，さらに２次元静電ポテンシャル計測を追加して，電子の先行加速による負の静電ポテンシャル形成が配位全体に及び，その静電場によるイオン加速・加熱も巨視的であることを見出した。２）電子加熱はＸ点への予想以上の局在化が見られ，粒子シミュレーションとも不一致でベータトロン加速の可能性がある。
３）軟X線画像計測でＸ点からのびるセパラトリクス上に局在化した高エネルギー粒子を初めてとらえた。今後，再結合磁場を上昇させて微弱な粒子加速を検証する体制が整った。
４）実験条件を生かした粒子シミュレーションも本格化し，３）についてセパラトリクス付近の静電場の急な空間変化で磁気モーメントの保存が破れ，磁力線に垂直方向の電子加熱を生じる機構を解明し，Phys.Plasmas誌のEditor's Pickに選ばれた。太陽観測との画像比較も進み，ひので実験室会議を主催して実験・観測・理論で加熱物理を解明し，Fusion Energy2018論文とする成果をあげた。
５） 英国カラム研究所MAST装置に２次元イオン温度計測を移設し，共同リコネクション加熱実験でスケーリングデータを拡充した他，リコネクション加熱のみで核融合炉を点火する提案が英国のTokamak Energy社ST-40装置に採用され，共同加熱実験を開始した。また分野トップのMR2017国際会議を主催し，内外の研究者80名の参加を得て一連の成果を発信した。
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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
リコネクション加熱が損失より２桁高い高S/N・高磁気レイノルズ数のリコネクション加熱・加速の検証実験を立ち上げ，キーとなる2次元画像計測として東大独自のドップラートモグラフィ型イオン温度計測をマルチスリット化によって500点の高精細計測に高め，独自の2次元トムソン散乱型電子温度・密度計測も35点の運用を開始した。着手した高エネルギー粒子計測もX線計測が早々2次元画像計測となり，計画を超えた進展となった。これらを用いた加熱・加速機構の解明では，
１）2次元静電ポテンシャル計測の追加により，電子の先行加速による負の静電ポテンシャル形成が配位全体におよび，その静電場による予想を超える巨視的なイオン加速・加熱が見られ，２）逆に電子についてはＸ点に予想以上に局在化した加熱領域を見出し，３）軟X線画像計測でＸ点につながるセパラトリクス上に局在化した高エネルギー粒子を初めてとらえ，目標を超える進展と言える。４）実験条件を持ち込む新たな粒子シミュレーションも進み，３）に対応する論文がEditor's Pickに選定され，共同論文も７に増え，目標を上回る成果をあげている。
一連の成果に対する学会の注目度は高く，日本政府主催のICEF会議に招待された他，今まで招待講演37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2次元イオン温度計測も授賞，招待講演となった。一連の成果を中心に当該分野トップのMR2017国際会議を主催し，内外の研究者80名の参加を得て，成果を発信した。さらに英国カラム研究所MAST装置でも東大が次元計測を持ち込み，加熱スケーリングデータ拡充を行って，３論文となり，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社のST-40実験で採用され，加熱実験を開始し，応用も目標を超えて急進展した。
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| Strategy for Future Research Activity |
合体実験の高磁場化のインフラ作りの結果，計画を上回るコンデンサー電源，ポロイダルコイル系を整備し，リコネクション加熱が損失を2桁上回る実験が確保され，計測の目玉の2次元ドップラー型イオン温度計測，2次元トムソン散乱計測の整備は多チャンネル化が進み，高エネルギー電子計測用の2次元軟X線計測も立ち上がったので，これらを駆使し，
１）予想以上に巨視的と判明したリコネクションによるイオン加熱と，２）予想以上にＸ点付近に局在化した電子加熱・加速の解明に努め，トムソン散乱計測の高精細化，粒子シミュレーションで判明した電子温度異方性の計測， 2次元軟X線計測，2次元ポテンシャル計測を駆使する。
３）非熱的粒子加速の解明を拡大予定で，2次元計測を高エネルギー粒子の検出につなげ，高エネルギーでもパワーの小さな粒子加速は，再結合磁場を引き上げて加熱・加速パワーを増やして対応する。４）分野融合研究を本格化し，粒子シミュレーションとの連携は巨視的な観点を含んだ磁束管合体シミュレーションを立ち上げて，非熱的粒子加速に焦点を合わせて実験と比較する他，太陽観測との連携も，２次元Ｘ線計測を駆使して比較を深化し，実験，観測の間に存在するスケールギャップを共通の物理パラメータの抽出などによって埋める工夫を考える。
５）リコネクション加熱を核融合プラズマ加熱に用いる提案が大きな反響を呼び，多くの招待講演，新聞報道として注目されている。英国カラム研究所MAST装置の共同リコネクション実験を進める一方で，リコネクション加熱によって核融合点火を行う東大の提案は，英国ベンチャー企業Tokamak Energy社がST-40実験に採用して実験を開始したので，合体運転のノーハウと高精細2次元計測の両面で積極支援し，我々が見出した加熱スケーリングデータを複数装置で拡大しながら，加熱・加速物理解明と応用研究を進める予定である。
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Research Products
(73 results)
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[Journal Article] Effects of Reconnection Downstream Conditions on Electron Parallel Acceleration during Merging Start-up of Spherical Tokamak2018
Author(s)
M. Inomoto, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, K. Kondo, T. Mihara, Y. Minami, Y. Inai, R. Yanai, Y. Takahata, H. Tanabe, Y. Ono, A. Sanpei, S. Kamio
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Journal Title
Fusion Energy 2018
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
Peer Reviewed
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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, T. Watanabe, K. Gi, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, C. Michael, B. Crowley, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, J. Harrison, T. O'Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono and The MAST Team
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 57
Pages: 056037
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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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] 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 Y. Ono 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
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[Journal Article] The Characteristics of Solar X-Class Flares and CMEs: A Paradigm for Stellar Superflares and Eruptions?2016
Author(s)
L. K. Harra, C. J. Schrijver, M. Janvier, S. Toriumi, H. Hudson, S. Matthews, M. H. Woods, H. Hara, M. Guedel, A. Kowalski, R. Osten, K. Kusano, T. Lueftinger
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Journal Title
Solar Physics
Volume: 291
Pages: 1761
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Fine structure formation of high field reconnection experiment in MAST and Univ. Tokyo2017
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
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] Particle acceleration in magnetic reconnection laboratory experiment with presence of strong guide field2016
Author(s)
M. Inomoto, K. Yamasaki, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, K. Matsuyama, N. Kawakami, A. Sato, Y. Fukai, H. Yamanaka, R. Tamura, H. Tanabe, Y. Ono,
Organizer
The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
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, H. 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
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
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, Y. Ono, 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
Int'l Joint Research
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