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
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19K21868
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
浅井 朋彦 日本大学, 理工学部, 教授 (00386004)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
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[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
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Journal Title
Plasma and Fusion Research
Volume: 15
Pages: 2402069-2402069
DOI
NAID
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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