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

• 研究課題/領域番号: 19K21868
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 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: 長山 好夫 日本大学, 核融合科学研究所, 名誉教授 (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)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 磁場閉じ込めプラズマ / 自己組織化 / 高ベータ磁化プラズモイド / 磁化プラズモイド / 高ベータ / 運動論効果 / 非MHD効果

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

2つの磁化プラズモイドを超音速・超アルヴェン速度で衝突合体させた後，自己組織的にFRC様配位が形成される様子が観測された。この実験では，2つのプラズモイドを生成後，外部磁気圧により加速・移送され、閉じ込め領域の中央で衝突させる。衝突の際、プラズモイドは破壊的な擾乱を受け、FRCの特徴である高速トロイダル流と反転磁場構造を失い，秩序的構造を持たない磁化プラズマとなる。しかし，数十μ秒以内にトロイダル方向にスピンアップし，極限的にベータの高いFRCが形成される様子が観測された。この結果は，磁気ヘリシティや一般化ヘリシティの保存という枠組みに収まらない「FRCの自己組織化的生成」を示している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

小型で効率が高い核融合炉心や中性子排出のない先進燃料核融合の実現には，高ベータ化が必須であり，これを極限まで突き詰めると，プラズマ電流と閉じ込め磁場が完全に直交し，トーラス中心に穴が開いていないFRCとなる。その特異な磁場配位のため，局所βはその大部分で１を超え，したがってイオンは磁化していないなど，多くの点で他の磁場配位と異なる性質を示し，同時にその緩和のメカニズムには未解明な点も多い。本研究成果は，このFRCの堅固な安定性を示す結果であり，米国の民間企業などでも開発が開始されたFRCによる超高ベータ核融合炉心の実現に貢献する結果である。

研究成果

• [国際共同研究] TAE Technologies Inc/University of California at Irvine(米国)
• [国際共同研究] Queen's University at Kingston(カナダ)
• [国際共同研究] University of California, Irvine/TAE Technologies, Inc(米国)
• [雑誌論文] Energy Flow in the Super Alfvénic/Sonic Collisional Merging Process of Field-Reversed Configurations (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Arisa TATSUMI, Naoto SAHARA, Tatsuhiro WATANABE, Daisuke HARASHIMA, Hiroshi GOTA and Thomas ROCHE
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2402050-2402050
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402050
  • NAID: 130008033379
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-04-09
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Acceleration of Magnetized Plasmoid by Pulsed Magnetic Coil (2021)
  • 著者名/発表者名: Taichi SEKI, Tomohiko ASAI, Daichi KOBAYASHI, Ryotaro YANAGI, Hiroshi GOTA, Thomas ROCHE and Tadafumi MATSUMOTO
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2401020-2401020
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2401020
  • NAID: 130007994292
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-02-10
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical simulation of wave propagation and plasma response excited in field-reversed configuration plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Urano, Toshiki Takahashi, Tomohiko Asai and Shigefumi Okada
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 62 号: 2 ページ: 026019-026019
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac3a19
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of self-organized FRC formation in a collisional-merging experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko Asai, Daichi Kobayashi, Taichi Seki, Yasuaki Tamura, Tatsuhiro Watanabe, Naoto Sahara, Tsutomu Takahashi, Jordan Morelli, Hiroshi Gota, Thomas Roche, Richard Magee, Michl Binderbauer, Toshiki Tajima, Michiaki Inomoto and Toshiki Takahashi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 9 ページ: 096032-096032
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac189c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of C-2W: High-temperature, steady-state beam-driven field-reversed configuration plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Gota, M. W Binderbauer, T. Tajima, A. Smirnov, Sergei Putvinski, M. Tuszewski, S. Dettrick, D. Gupta, S. Korepanov, R. Magee, J. Park, T. Roche, J. Romero, E. Trask, X. Yang, P. Yushmanov, K. Zhai, L. Schmitz, Z. Lin, A. Ivanov, T. Asai, T. Baltz and J. Plat
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 10 ページ: 106039-106039
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Internal magnetic measurement in collisional-merging process of a field-reversed configuration (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, T. Asai, Ts. Takahashi, D. Kobayashi, D. Harashima
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 5
  • DOI: 10.1063/5.0043785
  • 査読あり
• [雑誌論文] MHD simulation of supersonic FRC merging corrected by non-invasive magnetic measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Kobayashi, T. Asai, Ts. Takahashi, T. Watanabe, T. Yoshino, D. Harashima, S. Dettrick, Y. Mok, and H. Gota
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 5
  • DOI: 10.1063/5.0043711
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental evidence for super-Alfvénic acceleration of the field-reversed configuration due to a magnetic pressure gradient (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi Kobayashi and Tomohiko Asai
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 28 号: 2 ページ: 022101-022101
  • DOI: 10.1063/5.0026146
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of Translation Velocity Control by Auxiliary Coils for the Collisional Merging Formation of FRCs by 2-D Resistive MHD Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Junichi SEKIGUCHI, Hiroshi GOTA, Sean DETTRICK, Yung MOK, Michl BINDERBAUER, Toshiki TAJIMA and Toshiki TAJIMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 15 号: 0 ページ: 2402020-2402020
  • DOI: 10.1585/pfr.15.2402020
  • NAID: 130007840494
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2020-04-14
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Behavior of a Tracer-Containing Compact Toroid in a Transverse Magnetic Field (2020)
  • 著者名/発表者名: Taichi SEKI, Daichi KOBAYASHI, Rika SASAKI, Asuna MINAMIGI, Tomohiko ASAI, Hiroshi GOTA, Thomas ROCHE, Tadafumi MATSUMOTO, Toshiki TAKAHASHI, Naoki TAMURA, Yoshiro NARUSHIMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 15 号: 0 ページ: 2402069-2402069
  • DOI: 10.1585/pfr.15.2402069
  • NAID: 130007903702
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 超音速プラズモイド衝突過程における構造遷移 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅井朋彦, 関太一, 小林大地, 髙橋努, 稲垣滋, 井通暁, 髙橋俊樹, 岸本泰明
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] FRC の超音速衝突衝突と自己組織化的配位形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 浅井朋彦
  • 学会等名: 令和3年度 核融合科学研究所共同研究研究会「自己組織化過程を用いた高ベータトーラスプラズマの性能改善」
• [学会発表] FRCの衝突合体生成過程における内部ロゴスキーコイルによる局所電流計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小笠原樹利，関太一，渡邉達大，明石和久，田村康明，小林大地，髙橋努，稲垣滋，浅井朋彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第38回年会
• [学会発表] FRC衝突合体実験における反転磁場形成条件 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原島大輔，小林大地，関太一，渡邉達大，髙橋努，浅井朋彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第38回年会
• [学会発表] 衝突合体実験におけるFRCの自己組織化的形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 浅井朋彦, 小林大地, 関太一, 田村康明, 高橋努, 髙橋俊樹, 井通暁, 稲垣滋, 岸本泰明
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] パルス磁場印加による磁化プラズモイドの加速実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 関 太一，浅井朋彦，小林大地，柳 凌太郎
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐原直人，渡邉達大，小林大地，小川 洋，髙橋 努，浅井朋彦，Richard Magee
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] MHD Simulation of Supersonic FRC Merging Compensated by Non-Invasive Magnetic Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Daichi Kobayashi, Tomohiko Asai, Tsutomu Takahashi, Junichi Sekiguchi, Masaya Watanabe, Tomoya Yoshino, Sean Dettrick, Yung Mok, and Hiroshi Gota
  • 学会等名: 23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] Internal Magnetic Measurement in Collisional Merging Process of a Field-ReversedConfiguration (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiro Watanabe, Tomohiko Asai, Tsutomu Takahashi, Daichi Kobayashi,and Daisuke Harashima
  • 学会等名: 23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Langmuir Probe Array for Radial Potential Profile Measurement in a Collisional Merging Formation FRC (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa Akashi, Yuka Iijima, Daichi Kobayashi, Tomohiko Asai, Jordan Morelli, and Thomas Roche
  • 学会等名: 23rd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] FRCの移送・合体過程の3次元MHDシミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 水口直紀，小林大地，徐 旻昊，浅井朋彦
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Evaluation of Translation Velocity Control by Auxiliary Coils for Collisional Merging Formation of FRCs by 2-D Resistive MHD Simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Daichi KOBAYASHI, Tomohiko ASAI, Tsutomu TAKAHASHI, Junichi SEKIGUCHI, Hiroshi GOTA, Sean DETTRICK, Yung MOK, Michl BINDERBAUER, Toshiki TAJIMA
  • 学会等名: The 28th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] MHD simulation of FRCs for velocity control in the collisional merging process (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Kobayashi, T. Asai, Ts. Takahashi, J. Sekiguchi, H. Gota, S. Dettrick, Y. Mok, M. Binderbauer, and T. Tajima
  • 学会等名: US-Japan Workshop on Compact Tori 201 9
  • 国際学会