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磁場中に高速生成されたプラズモイドの自己組織化的配位形成の観測

Research Project

Project/Area Number 19K21868
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
Research InstitutionNihon University

Principal Investigator

浅井 朋彦  日本大学, 理工学部, 教授 (00386004)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 長山 好夫  日本大学, 理工学部, 特任教授 (10126138)
高橋 俊樹  群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (10302457)
比村 治彦  京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (30311632)
高橋 努  日本大学, 理工学部, 教授 (50179496)
水口 直紀  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (70332187)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords自己組織化 / 磁化プラズモイド / 高ベータ / 運動論効果 / 非MHD効果
Outline of Research at the Start

一般に磁化プラズマの巨視的振る舞いはMHDにより記述でき,磁気ヘリシティ保存の下,磁気エネルギー最小の状態へ緩和する。しかし,ポロイダル磁場とそれと直交する反磁性電流のみで配位が形成され,磁気ヘリシティがゼロのFRC配位は,MHD緩和状態にないにも関わらずアルヴェン時間の数十~数百倍の時間,制御なしで安定に存在する。磁場中に短時間で密度勾配を形成することで反磁性電流によりFRCが生成できる可能性もあるが,ヘリシティゼロのプラズマ中に閉じた磁場構造が形成される過程はMHDでは記述できない。本研究は,磁場中に高速にプラズマ圧力を形成し自己組織化的に生じる磁場構造を観測する前例のない実験研究である。

Outline of Annual Research Achievements

プラズモイドの超音速衝突合体によって自己組織化的に形成される磁力線構造を観測するため,3軸磁気プローブアレイを開発し,その性能評価を行なった。また,それを用いたプラズモイドの内部磁場構造の観測を開始した。この観測には,放電ノイズや高温・高密度プラズマからの負荷に耐え,サブマイクロ秒で生じる磁力線の変化を観測できるプローブが必要であり,開発されたプローブアレイが,使用条件を満たすことを確認した。
また,FRCの自己組織化的形成の確認のため,FRCの特徴の一つであるトロイダルスピンアップを観測した。計測は,申請者グループで開発したイオンドップラー分光システムを用いた。磁場計測同様に高速な応答が要求される分光システムには,ディテクタとしてマルチアノード光電子増倍管を採用し,プラズモイド衝突後,磁場構造の再形成とともに形成されるフローの空間構造を観測した。この結果,衝突合体前後では,プラズモイドの持つ角運動量は保存されず,衝突による衝撃は加熱を経て,FRCが自己組織化的に形成されている可能性が高くなった。
これらの実験結果との比較,検証のため,三次元MHDシミュレーションを実施した。しかし,実験で形成されるFRCがMHD近似から大きく外れるためか,現段階では実験結果の再現には至っていない。
上記の研究実績により,最終年度となる令和3年度は,フロー構造を詳細に観測し,可能性が示された角運動量の保存の破れを検証するため,イオンドップラー分光システムを追加し,生成領域,衝突合体領域での同時計測を行うとともに,FRCの自己組織化的生成について,衝突速度依存性などを検証するための実験を行う。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初開発を予定した計測器については,その開発を終え,性能評価も完了した。また,観測対象となるプラズマの生成,移送についても,目的であるパラメータ領域での生成に成功し,実験は順調に進んでいる。
一方で,極限的にベータ値の高いFRCに特徴的なイオンの運動論的効果のためか,3次元MHDシミュレーションについては,実験で得られているプラズマの振る舞いを再現できておらず,継続してモデルや計算条件の検証を進める。

Strategy for Future Research Activity

プラズモイドの超音速衝突時の高ベータ磁場配位の自己組織化的形成については,実験・観測の準備が申請時の計画通り順調に進み,実験を開始した。本年度は,自己組織化的配位生成について,衝突速度やイオンの質量などの条件への依存性を観測するため,システマティックにデータ取得を進める。
一方で,作業が遅れている三次元MHDシミュレーションについては,計算条件の検証やモデルの最適化を進めると同時に,運動論的効果の影響を評価するため,ハイブリッドシミュレーションによる超音速衝突時のプラズモイドの振る舞いの検証を行う。
これまでに得られた実験結果は,プラズモイド衝突時の配位の自己組織化的生成過程は,磁気ヘリシティや一般化ヘリシティの保存と言った枠組みに収まらないことを示しており,その物理的描像の理解へ向けた実験結果の検証を進める。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(17 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] TAE Technologies Inc/University of California at Irvine(米国)

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Queen's University at Kingston(カナダ)

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University of California, Irvine/TAE Technologies, Inc(米国)

    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Journal Article] Experimental evidence for super-Alfvénic acceleration of the field-reversed configuration due to a magnetic pressure gradient2021

    • Author(s)
      Daichi Kobayashi and Tomohiko Asai
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 28 Pages: 022101-022101

    • DOI

      10.1063/5.0026146

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Acceleration of Magnetized Plasmoid by Pulsed Magnetic Coil2021

    • Author(s)
      Taichi SEKI, Tomohiko ASAI, Daichi KOBAYASHI, Ryotaro YANAGI, Hiroshi GOTA, Thomas ROCHE and Tadafumi MATSUMOTO
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 16 Issue: 0 Pages: 2401020-2401020

    • DOI

      10.1585/pfr.16.2401020

    • NAID

      130007994292

    • ISSN
      1880-6821
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Energy Flow in the Super Alfvénic/Sonic Collisional Merging Process of Field-Reversed Configurations2021

    • Author(s)
      Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Arisa TATSUMI, Naoto SAHARA, Tatsuhiro WATANABE, Daisuke HARASHIMA, Hiroshi GOTA and Thomas ROCHE
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 16 Issue: 0 Pages: 2402050-2402050

    • DOI

      10.1585/pfr.16.2402050

    • NAID

      130008033379

    • ISSN
      1880-6821
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evaluation of Translation Velocity Control by Auxiliary Coils for the Collisional Merging Formation of FRCs by 2-D Resistive MHD Simulation2020

    • Author(s)
      Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Junichi SEKIGUCHI, Hiroshi GOTA, Sean DETTRICK, Yung MOK, Michl BINDERBAUER, Toshiki TAJIMA and Toshiki TAJIMA
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 15 Issue: 0 Pages: 2402020-2402020

    • DOI

      10.1585/pfr.15.2402020

    • NAID

      130007840494

    • ISSN
      1880-6821
    • Related Report
      2020 Research-status Report 2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Behavior of a Tracer-Containing Compact Toroid in a Transverse Magnetic Field2020

    • Author(s)
      Taichi SEKI, Daichi KOBAYASHI, Rika SASAKI, Asuna MINAMIGI, Tomohiko ASAI, Hiroshi GOTA, Thomas ROCHE, Tadafumi MATSUMOTO, Toshiki TAKAHASHI, Naoki TAMURA, Yoshiro NARUSHIMA
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 15 Pages: 2402069-2402069

    • DOI

      10.1585/pfr.15.2402069

    • NAID

      130007903702

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 極限的高ベータプラズモイドの超音速・超アルヴェン速度衝突による衝撃波励起2020

    • Author(s)
      小林大地,浅井朋彦,高橋 努,渡邉達大,原島大輔,巽 ありさ,佐原直人,三浦圭介,飯嶋祐佳,山中拓人,明石和久,田村康明,染谷絋希,郷田博司,Thomas ROCHE
    • Organizer
      第37回 プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] パルス磁場印加による磁化プラズモイドの加速実験2020

    • Author(s)
      関 太一,浅井朋彦,小林大地,柳 凌太郎
    • Organizer
      第37回 プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 高ベータプラズモイドの超音速衝突時の中性子の観測2020

    • Author(s)
      佐原直人,渡邉達大,小林大地,小川 洋,髙橋 努,浅井朋彦,Richard Magee
    • Organizer
      第37回 プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] MHD Simulation of Supersonic FRC Merging Compensated by Non-Invasive Magnetic Measurements2020

    • Author(s)
      Daichi Kobayashi, Tomohiko Asai, Tsutomu Takahashi, Junichi Sekiguchi, Masaya Watanabe, Tomoya Yoshino, Sean Dettrick, Yung Mok, and Hiroshi Gota
    • Organizer
      23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Internal Magnetic Measurement in Collisional Merging Process of a Field-ReversedConfiguration2020

    • Author(s)
      Tatsuhiro Watanabe, Tomohiko Asai, Tsutomu Takahashi, Daichi Kobayashi,and Daisuke Harashima
    • Organizer
      23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Langmuir Probe Array for Radial Potential Profile Measurement in a Collisional Merging Formation FRC2020

    • Author(s)
      Kazuhisa Akashi, Yuka Iijima, Daichi Kobayashi, Tomohiko Asai, Jordan Morelli, and Thomas Roche
    • Organizer
      23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] FRCの移送・合体過程の3次元MHDシミュレーション2019

    • Author(s)
      水口直紀,小林大地,徐 旻昊,浅井朋彦
    • Organizer
      第36回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Evaluation of Translation Velocity Control by Auxiliary Coils for Collisional Merging Formation of FRCs by 2-D Resistive MHD Simulation2019

    • Author(s)
      Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Junichi SEKIGUCHI, Hiroshi GOTA, Sean DETTRICK, Yung MOK, Michl BINDERBAUER, Toshiki TAJIMA
    • Organizer
      The 28th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MHD simulation of FRCs for velocity control in the collisional merging process2019

    • Author(s)
      D. Kobayashi, T. Asai, Ts. Takahashi, J. Sekiguchi, H. Gota, S. Dettrick, Y. Mok, M. Binderbauer, and T. Tajima
    • Organizer
      US-Japan Workshop on Compact Tori 201 9
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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