低周波波動印加による超高ベータトーラスの加熱および電流駆動法の開発

• 研究課題/領域番号: 16K06939
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 浅井 朋彦 日本大学, 理工学部, 教授 (00386004)
• 研究分担者: 井 通暁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00324799) ; 高橋 俊樹 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (10302457) ; 関口 純一 日本大学, 理工学部, 助手 (40755419) ; 高橋 努 日本大学, 理工学部, 教授 (50179496)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2017年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2016年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 高ベータ / 磁場閉じ込めプラズマ / 磁場反転配位 / コンパクトトーラス / アルヴェン波 / 波動加熱 / FRC / 炉心プラズマ

研究成果の概要

極限的に高いベータ値（～100%）を最大の特徴とする磁場反転配位（Field-Reversed Configuration: FRC）は，C-2U（米・TAE社）において，NBIによる維持で2msを超える粒子閉じ込めが実現されたことから世界的に注目を集めた。一方でその高ベータ特性のため，NBI以外の加熱・電流駆動の手段がなく，新たな手法の確立なしには核融合炉心とはなり難いと考えられる。本研究では，FRC内部を加熱可能な低周波波動印加について，そのターゲットとなるFRCを生成するための衝突合体生成装置を開発，低周波波動励起を行うことで，その伝播特性や加熱・電流駆動の可能性を実験により評価した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

トカマク等とは異なる方式で核融合によるエネルギー生産を目指す核融合ベンチャーが，北米や欧州を中心に多数設立され，ITER建設の遅れとも相まって世界的に注目を集めている。このうち，複数の企業が極限的なベータ値（～100%）を持つFRC方式を採用しているが，上記のような極めて特異的な性質のため，NBI以外の効果的な加熱・電流駆動法が確立していなかった。本研究では，この極めてベータ値が高い，すなわち高密度・低磁場特性を持つFRCの中心加熱法として，低周波磁場励起による加熱法の効果を実験的に評価した。また，実験の対象となるFRC衝突合体実験装置FAT-CMを開発，日本国内における実験拠点を確立した。

研究成果

• [国際共同研究] University of California at Irvine/TAE Technologies, Inc.(米国)
• [国際共同研究] University of California at Irvine/TAE Technology, Inc.(米国)
• [雑誌論文] Hybrid Simulation Study on Anisotropic Response of Ions to a Low-Frequency Wave in a Field-Reversed Configuration (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro URANO, Toshiki TAKAHASHI, Akiyoshi HOSOZAWA, Tomohiko ASAI and Shigefumi OKADA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 1203064-1203064
  • DOI: 10.1585/pfr.14.1203064
  • NAID: 130007652212
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2019-03-22
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collisional Merging of Field-Reversed Configurations in the FAT-CM Device Form Targets for the Excitation of Low-Frequency Waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi HOSOZAWA, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Junichi SEKIGUCHI, Kouji HIROHASHI, Sigefumi OKADA, Hiroshi GOTA, Thomas ROCHE, Michiaki INOMOTO and Toshiki TAKAHASHI
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 2402041-2402041
  • DOI: 10.1585/pfr.14.2402041
  • NAID: 130007649953
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2019-03-11
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hybrid Simulation of a High-Beta Linear Plasma Column Applied with a Low Frequency Wave (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro URANO, Toshiki TAKAHASHI, Akiyoshi HOSOZAWA, Tomohiko ASAI, Shigefumi OKADA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 2403022-2403022
  • DOI: 10.1585/pfr.14.2403022
  • NAID: 130007603203
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2019-01-24
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Collisional merging formation of a field-reversed configuration in the FAT-CM device (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko Asai, Tsutomu Takahashi, Junichi Sekiguchi, Daichi Kobayashi, Shigefumi Okada, Hiroshi Gota, Thomas Roche, Michiaki Inomoto, Sean Dettrick, Yung Mok, Michl W Binderbauer, Toshiki Tajima and Toshiki Takahashi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab0c45
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Compact toroid injection fueling on a large-sized field-reversed configuration (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko Asai, Tadafumi Matsumoto, Thomas Roche, Ian Allfrey, Hiroshi Gota, Junichi Sekiguchi, Takahiro Edo, Eusebio Garate, Tsutomu Takahashi, Michl Binderbauer
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: － 号: 7 ページ: 076018-076018
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6dcd
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Achievement of Field-Reversed Configuration Plasma Sustainment via 10 MW Neutral-Beam Injection on the C-2U Device (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Gota, M. Binderbauer, T. Tajima, S. Putvinski, M. Tuszewski, S. Dettrick, E. Garate, S. Korepanov, A. Smirnov, M. Thompson, E. Trask, X. Yang, L. Schmitz, Z. Lin, A. Ivanov, T. Asai
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 11 ページ: 116021-116021
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa7d7b
  • 査読あり
• [雑誌論文] A DT fusion reactor design in field-reversed configuration using normal conductive coils (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirano, J. Sekiguchi, T. Matsumoto, T. Asai, Y. Nogi, M. Watanabe and T. Takahashi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 号: 1 ページ: 016004-016004
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa88e0
  • 査読あり
• [学会発表] 低周波振動磁場へのFRCプラズマの応答 (2019)
  • 著者名/発表者名: 細澤明好，浅井朋彦，高橋努，関口純一，小林大樹，飯嶋祐佳，巽ありさ，岡田成文，郷田博司，Thomas Roche，井通暁，高橋俊樹
  • 学会等名: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 分割型Sin-Cosプローブによる磁場反転配位プラズマのトロイダルモード解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 廣橋光始，長田昌之，関口純一，浅井朋彦，高橋努
  • 学会等名: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] FRC衝突合体実験における中性子計測のための高速応答検出器の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐原直人，小川 洋，関口純一，髙橋 努，浅井朋彦，Richard Magee
  • 学会等名: 平成31年電気学会全国大会
• [学会発表] 衝突合体FRC生成における衝突速度の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬陽介，年木健，関口純一，浅井朋彦，高橋努
  • 学会等名: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] COLLISIONAL MERGING FORMATION OF A FIELD-REVERSED CONFIGURATION IN THE FAT-CM DEVICE (2018)
  • 著者名/発表者名: T. ASAI, J. SEKIGUCHI, T. TAKAHASHI, Y. NAGAYAMA, S. OKADA, NIHON UIVERSITY H. GOTA, T. ROCHE, S. DETTRICK, M.W. BINDERBAUER, T. TAJIMA, M. INOMOTO, T. TAKAHASHI
  • 学会等名: US-Japan Workshop on Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] Collisional Merging of a Field-Reversed Configuration in the FAT-CM Device (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Asai, J. Sekiguchi1, T. Takahashi1, J. Ishiwata, N. Ono, F. Tanaka, A. Hosozawa, D. Kobayashi, S. Okada, H. Gota, T. Roche, S. Dettrick, Y. Mok, M. W. Binderbauer, T. Tajima, M. Inomoto, and T. Takahashi
  • 学会等名: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Collisional merging formation of a field-reversed configuration for excitation of low-frequency wave in the FAT-CM device (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Hosozawa, T. Asai, Ts. Takahashi, J. Sekiguchi, K. Hirohashi, S. Okada, H. Gota, T. Roche, M. Inomoto, To. Takahashi
  • 学会等名: 12th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場反転配位（FRC）プラズマにおける低周波波動励起実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 細澤明好，浅井朋彦，高橋努，関口純一，廣橋光始，岡田成文，郷田博司，Thomas Roche， 井道暁，高橋俊樹，浦野貴弘
  • 学会等名: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] Internal Magnetic Field Measurements of Translated and Merged Field-Reversed Configuration Plasmas in the FAT-CM Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Gota, Junpei Ishiwata, Fumiyuki Tanaka, Akiyoshi Hosozawa, Tomohiko Asai , Tsutomu Takahashi, Junichi Sekiguchi, Thomas Roche, Sean Dettrick, Yung Mok, Michl Binderbauer, Toshiki Tajima
  • 学会等名: 22nd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] 分割型Sin-Cosプローブによる磁場反転配位プラズマの揺動磁場計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣橋光始，蜂須賀 拳，関口純一，浅井朋彦，高橋 努
  • 学会等名: 平成30年電気学会全国大会
• [学会発表] FAT-CM装置におけるFRCプラズマの衝突・合体過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中郁行, 浅井朋彦, 関口純一, 高橋努, 江戸貴広, 菱田大暉, 廣瀬陽介, 細澤明好, 小林大樹, 岡田成文, 高橋俊樹, Y. Mok, S. Dettrick, T. Roche, H. Gota, M. Binderbauer, T. Tajima
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] FAT-CM装置におけるFRC衝突合体実験 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石渡淳平, 菱田大暉, 小野直人, 渡辺慎太郎, 片山晴理, Thomas Roche, 郷田博司, 関口純一, 高橋努, 浅井朋彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Observation of shock wave in an FRC plasma translated at super-Alfvenic velocity (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Sekiguchi, T. Asai, T. Takahashi, T. Edo, J. Ishiwata, N. Ono, K. Matsui, D. Hishida, F. Tanaka, A. Hosozawa, D. Kobayashi
  • 学会等名: Exploratory Plasma and Fusion Research Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 大型FRC装置C-2U/C-2Wへの粒子補給を目的としたCT入射装置の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 江戸貴広, 浅井朋彦, 高橋努, 関口純一, 郷田博司, T. Roche，I. Allfrey, E. Garate, M. Binderbauer, 松本匡史, 田島俊樹
  • 学会等名: プラズマ科学のフロンティア2017研究会
• [学会発表] Studies on Plasmoid Merging using Compact Toroid Injectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Ian Allfrey, Tadafumi Matsumoto, Thomas Roche, Hiroshi Gota, Takahiro Edo, Tomohiko Asai, Daniel Sheftman, Dima Osin
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] A design of DT fusion reactor in the field-reversed configuration by using normal conductive coils (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirano, J. Sekiguchi, T. Matsumoto, T. Asai, Y. Nogi, M. Watanabe, T. Takahashi
  • 学会等名: US-Japan CT workshop: Improved Confinement and Novel Applications of Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of CTs injected into C-2U FRC (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumoto, T. Roche, I. Allfrey, H. Gota, T. Asai, T. Edo, J. Sekiguchi, E. Granstedt, J. Kinley, M. Binderbauer, T. Tajima, and the TAE Team
  • 学会等名: US-Japan CT workshop: Improved Confinement and Novel Applications of Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of a field-reversed configuration plasma controlled by external magnetic field (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Urano, T. Takahashi, S. Koike, D. Adachi, T. Matsui, S. Iwata, M. Inomoto, and T. Asai
  • 学会等名: US-Japan CT workshop: Improved Confinement and Novel Applications of Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] Excitation of low-frequency wave in FAT-FRC plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Ishiwata, T. Edo, K. Hirohashi, A. Hosozawa, J. Sekiguchi, Ts. Takahashi, S. Okada, M. Inomoto, To. Takahashi, T. Roche, S. Dettrick, H.Monkhorst, H. Gota, and T, Asai
  • 学会等名: US-Japan CT workshop: Improved Confinement and Novel Applications of Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] Collisional merging process of field-reversed configuration plasmas in the FAT-CM device (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Tanaka, T. Asai, J. Sekiguchi, Ts. Takahashi, Y. Mok, S. Dettrick, and H. Gota
  • 学会等名: US-Japan CT workshop: Improved Confinement and Novel Applications of Compact Tori
  • 国際学会
• [学会発表] FRCプラズマにおける低周波波動励起実験 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石渡 淳平，江戸 貴広，浅井 朋彦，細澤 明好，広橋 光始，関口 純一，高橋 努，井 通暁，岡田 成文，高橋 俊樹，Dettrick Sean，Roche Thomas，郷田 博司
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 衝突合体FRCプラズマの移送・緩和過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菱田 大暉、石渡 淳平、小野 直人、渡部 慎太郎、関口 純一、高橋 努、浅井 朋彦
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] FRCプラズマ衝突合体過程におけるプラズマパラメータの評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小野 直人，石渡 淳平，菱田 大暉，渡部 慎太郎，関口 純一，浅井 朋彦，高橋 努
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 衝突合体FRC生成におけるプラズモイド衝突速度の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬 陽介，前原 至祐，松井 圭祐，関口 純一，浅井 朋彦，高橋 努
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 磁場反転配位衝突合体生成装置FAT-CM装置の最適化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡部 慎太郎，廣橋 光始，小林 大樹，蜂須賀 拳，小野 直人，関口 純一，浅井 朋彦，高橋 努
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 磁場反転配位プラズマ形状計測へのコーシー条件面法の適用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 星野 啓雄，岩坂 純平，関口 純一，浅井 朋彦，高橋 努
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Topological Transition and Inductive Current Drive of a Translated Field-Reversed Configuration Plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Arai, T. Asai, S. Katayama, J. Ishiwata, N. Ono, J. Sekiguchi, T. Takahashi, M. Inomoto, T. Takahashi, S. Okada, Y. Narushima, L. Steinhauer
  • 学会等名: The 26th International Toki Conference (ITC-26) & The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference(APFA-11)
  • 国際学会
• [学会発表] Performance Improvement of a Magnetized Coaxial Plasma Gun by adopting Iron-Core Bias Coil and Pre-Ionization Systems (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Edo, T. Asai, F. Tanaka, S. Yamada, A. Hosozawa, Y. Kamino, H. Gota, T. Roche, I. Allfrey, D. Osin, R. Smith, M. Binderbauer, T. Matsumoto, and T. Tajima
  • 学会等名: The 26th International Toki Conference (ITC-26) & The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference(APFA-11)
  • 国際学会
• [学会発表] Collisional merging process of field-reversed configuration plasmas in the FAT-CM device (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Tanaka, T. Asai, J. Sekiguchi, Ts. Takahashi, J. Ishiwata, T. Edo, N. Ono, K. Matsui, S. Watanabe, D. Hishida, D. Kobayashi, Y. Hirose, A. Hosozawa, Y. Mok, S. Dettrick, T. Roche, H. Gota, M. W. Binderbauer, and T. Tajima
  • 学会等名: The 26th International Toki Conference (ITC-26) & The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference(APFA-11)
  • 国際学会
• [学会発表] Compact Toroid Injection Fueling on a Large-sized Field-Reversed Configuration (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Asai, T. Matsumoto, T. Roche, I. Allfrey, H. Gota, J. Sekiguchi, T. Edo, E. Garate, T. Takahashi, M. Binderbauer, and T. Tajima
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [産業財産権] 大気圧プラズマ生成装置 (2017)
  • 発明者名: 浅井朋彦，田中郁行，小林大地，小口治久
  • 権利者名: 日本大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-177654
  • 出願年月日: 2017