プラズマ合体を用いた磁気リコネクション現象の実験的研究

• 研究課題/領域番号: 05044079
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 桂井 誠 東京大学, 工学部, 教授 (70011103)
• 研究分担者: パンフリー ニール プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 研究員 ; フォンゲラー シュヴァイ プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員 ; ヤマダ マサアキ プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員 ; パーキンス フランシスW プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員教授 ; 板垣 敏文 東京大学, 工学部, 助手 (60242012) ; 小野 靖 東京大学, 工学部, 助教授 (30214191) ; PERKINS Francis.w Princeton Plasma Physics Laboratory, Pricipal Research Physicist ; POMPHREY Neil Princeton Plasma Physics Laboratory, Research Physicist ; VON GOELER Shweickhard e Princeton Plasma Physics Laboratory, Pricipal Research Physicist ; シュヴァイクハルト E プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員 ; マサアキ ヤマダ プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員 ; フランシス・W パーキン プリンストン大学, プラズマ物理研究所, 主任研究員教授
• 研究期間 (年度): 1993 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 6,000千円 (直接経費: 6,000千円); 1994年度: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円); 1993年度: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
• キーワード: 磁気リコネクション / スフェロマック

研究概要

平成6年度の日本側TS-3装置を用いた実験研究は当初予定した通り、前年度の磁界計測にイオン流速・温度計測を加え、磁気リコネクションの3次元効果のエネルギー変換作用の検証まで到達し、ほぼ予定通りといえる。米国側の協力も人員の派遣、デジタイザーなどの計測器の移設なども効果を上げたといえる。特に、磁気リコネクションによる粒子加速効果をはじめて直接計測できたこと、磁気リコネクションによるイオン異常加熱効果の特性が解明できたことは大きな成果といえる。
具体的にはまず4月、小野をヨーロッパ地球物理学会に派遣し、磁気リコネクションの粒子加速効果が直接計測できたこと、2次元的な磁気リコネクションによりイオンが異常に加熱されること、それはXラインに平行な第3の磁界成分の印加により抑制できることなど最新の研究成果の公表を行った。観測を主とした磁気リコネクション研究に長い歴史を持つ地球物理関係分野の研究者との議論を深めることを通じて、太陽プラズマ、地球磁気圏プラズマに我々と類似の磁気リコネクション現象が観測されていることが明らかになった。
そして6月から7月、11月から12月にかけて、米国側から実験グループのリーダーのヤマダを招へいして、TS-3装置を用いた共同研究を行った。これは、粒子加速、イオン異常加熱など磁気リコネクションに伴う新しい発見を対象としてそのメカニズムの解明を行い、粒子加速が再結合した磁力線がリコネクションのアウトフローによって発生していること、イオン異常加熱にイオンの粘性効果が関与していることが判明した。
7月には桂井を低アスペクト比プラズマ国際会議に派遣して、特に核融合プラズマ研究の立場から我々の3次元磁気リコネクション現象が役立てられることを報告した。
また、プリンストン大学のMRX実験関連では、その装置の立ち上げにあわせ、4月に小野、7月に桂井を米国側に派遣した。これによって、米国側予算事情により立ち上げが遅れていたMRX実験の進展、実験計画を加速ができた。特にMRX実験に可動のプラズマ生成コイルを設置することが日本側の提案により実現し、コイル境界の設定が自由に変化できる磁気リコネクション実験がはじめて可能になった点は大きな成果である。日本側から米国側へプラズマ合体実験のノ-ハウの移行はその後の11月の米国物理学会の際にも行われ、実験装置、プラズマ制御、計測、実験解釈の各面でMRX実験の方向づけが定まった。
日本側TS-3実験において得られた成果、MRX実験の成果は9月のプラズマ物理と制御核融合に関する国際会議、第36回米国物理学会プラズマ物理部門、において小野、桂井、森田により発表を行った。これは、特に核融合プラズマのイオン異常加熱効果が逆転磁場ピンチ配位で見られ、トカマクで見られないというこれまでの実験結果が我々の実験によって説明できる可能性を示したものであり、内外より評価された。
最後に、パンフリー、ヤマダを東京大学に呼びよせ、桂井、小野さらに外部の磁気リコネクション研究者を交えて、日本側TS-3実験において得られた成果、MRX実験の成果について研究会を行い、2年間の実験研究およびシミュレーション研究との対応について議論を行った。最終成果はPhysics of Plasmas,Solar Physicsなどプラズマ理工学、地球、宇宙物理の両分野において日米研究グループによる連名で投稿を行った。

研究成果

• [文献書誌] Yasushi Ono: "Slow Formation of Field-Reversed Configurotion by Llse of Two Merging Spheromaks" Fusion Technology. (掲載予定).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Katsurai,Y.Ono,T.Itagaki,A.Morita,T.Akao: "Compact Toroid Merging Experiment to Study Three-Dimensional Effects of Magnetic Reconnedior in Current Carrying Toroidal Plasmas" Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1994. (掲載予定).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Makoto Katsurai: "Review of Experimental Investigation on Compact Toroidsand Compact Tokamaks using TS-3 Device" Fusion Technology. (掲載予定).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 森田 歩,小野 靖,桂井 誠: "変形フーリユベッセル展開によるプラズマの円環平面領域に対するトモグラフィー像再生アルゴリズム" 電気学会論文誌A. 115. 37-43 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 桂井 誠,小野 靖: "プラズマ合体で探る磁力線再結合のダイナミクス" 日本物理学会誌. 50. 85-92 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Yasushi Ono: "Slow Formation of Field-Reversed Configuration by Use of Two Merging Spheromak" Fusion Technology. (To be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Katsurai, Y.Ono, T.Itagaki, A.Morita, T.Akao: "Compact Toroid Merging Experiment to Study Threee-Dimensinal Effects of Magnetic Reconnection in Current Carrying Toroidal Plasmas." Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1994. (To be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Makoto Katsurai: "Review of Experimental Investigation of Compact Toroids and Compact Tokamaks Using TS-3 Device" Fusion Technology. (To be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Morita, Y.Ono, M.Katsurai: "Tomographic Reconstruction Algorithm for Annular Cross Section of Toroidal Plasmas by use of Modified Fourier Bessel Expansions" The Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan. 115. 37-43 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Ono,A.Morita,M.Katsurai,M.Yamada: "Experimental Investigation of Three-dimensional Magnetic Reconnection by Use of Two Colliding Spheromaks" Physics of Fluids B. 5. 3691-3701 (1993)
• [文献書誌] Y.Ono,A.Morita,T.Itagaki,M.Katsurai: "Merging of Two Spheromaks and Its Application to The Slow Formation of A Field Reversed Configuration" Plasma Physics and Cotrolled Nuclear Fusion Research 1992. 2. 619-625 (1993)