パルス高出力リコネクション加熱を用いたトカマク点火実験

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K14279
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小野 靖 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
• 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) ; 田辺 博士 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (30726013)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 磁気リコネクション / プラズマ合体 / イオン加熱 / 球状トカマク / アルファ加熱 / アウトフロー / ショック / 電子加熱

研究実績の概要

32×10点に高精細化した2 次元イオン温度計測を小型・高磁場のトカマク合体に適用してリコネクション加熱を最大にする手法とメカニズムを解明できた。
① リコネクション加熱最大化のキーは，電流シートをイオンラーマ半径程度まで圧縮して高速リコネクションをオンすることで，イオンのメアンダリング運動，さらにLH不安定とドリフトキンク不安定の誘起により電流シートは大きな異常抵抗を得るため，ポロイダル磁気圧だけでアウトフロー速度，即ち加熱パワーが決まり，ガイド（トロイダル）磁場への依存性がなくなる点がTS-3合体実験と協力中の核融合科学研究所堀内らの粒子シミュレーションの双方で判明した。この条件でリコネクション加熱が最大化され，再結合磁場＝ポロイダル磁場の2乗に比例するイオン加熱エネルギーが得られる。
② リコネクション加熱によるイオン熱エネルギーへのエネルギー変換は，ポロイダル磁気エネルギーの40-50％と判明した。2つのトカマク合体時，ポロイダル磁束は保存するが，電流分布をあまり変えずに１つ分のポロイダル磁気エネルギーが変換されることを意味しており，詳細な理論解釈を模索中である。
③ リコネクション加熱は，実験的にはイオン加熱が電子加熱の５倍から10倍であることが判明した。スラブモデルを用いた粒子シミュレーションではその比が２倍程度であるものもあり，一見，不一致であるが，軽い電子が先行加速されてリコネクション下流に負の静電ポテンシャルを形成する際，その範囲がスラブモデル境界を超えることから小さめの値になると考えられる
以上の成果は，アジア太平洋物理学会年会の基調講演等の招待講演11件，IAEA Fusion Energy 2018の日本代表論文にも4件選定され，粒子シミュレーションはPhysics of Plasmas論文のEditor's Pickとなり，内外より評価されている。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

軌道にのった高磁場リコネクション加熱実験は，本年度，再結合磁場の２乗に比例する加熱スケーリング則の確認の先にあるメカニズムの解明に成功した。即ち，合体トカマクが電流シート幅をラーマ半径程度まで圧縮して得られる高い異常抵抗の発生による高速リコネクションによって，ポロイダルアルベーン速度程度のアウトフローとその熱化によって再結合（ポロイダル）磁場のみによるスケーリング則が得られることを見出した。スケーリングが再結合（ポロイダル）磁場のみにより，ガイド（トロイダル）磁場によらない理由がはじめて説明できたことは，本研究の本質に迫る大きな進展と言える。
スケーリング則のメカニズム解明，および，リコネクション加熱単独で核融合炉を点火する提案は内外の注目を集め，第１回アジア太平洋物理学会年会の基調講演となった他，IPELS国際会議等の11件の招待講演，IAEA Fusion Energy 2018会議への日本代表論文への採択も４件に達し，高い評価を得ることができた。
特筆すべき点は，このリコネクション加熱による核融合炉点火は英国のベンチャー企業Tokamak Energy社の主プロジェクトST-40実験に採用され，東京大学が協力して実験をプラン・技術支援し，実際に１月に実験をスタートしたことである。キーとなるイオン温度計測も東京大学が担当しており，実用化に向けてインパクトのある新しい展開につながった。
以上，リコネクション加熱による核融合炉点火研究は当初予想を超える大きな進展が複数あり，計画以上に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

合体実験の高磁場化と2次元計測を用いたこれまでの実験結果を受けて，再結合磁場の２乗に比例するイオン加熱エネルギーが得られるメカニズムが概ね解明できたので，まず，予定される招待講演や論文投稿を完了する予定である。具体的には，電流シート圧縮による高速リコネクションのアウトフローがほぼポロイダル磁場だけで決められ，ポロイダル磁場の2乗に比例するスケーリングにつながる一連の物理機構について，核融合研究の中心会議であるIAEA Fusion Energy Conference（平成30年10月）で日本代表論文，ICPP国際会議や第２回アジア太平洋物理学会年会の招待講演に選定されたので，実験と理論が連携して期待に応える。
また，追加実験として，電子が先行加速されて負ポテンシャルの井戸を形成する詳細な運動論的メカニズムに焦点を合わせ，プローブ計測の制約の範囲での静電ポテンシャル分布計測，さらに電子温度・ポテンシャルに影響しない非接触のトムソン散乱計測の温度異方性計測を行う予定である。特に電子温度はＸ点やその先に延びるセパラトリクスでピークする謎の多い現象が見られ，トムソン散乱計測の空間分解能も３倍に高精細化を進め，追加実験に備えている。
本研究のリコネクション加熱による核融合点火のアイデアが英国のベンチャー企業Tokamak Energy社の資金量豊富な合体実験：ST-40に採用され，我々もadviser, 協力者として既に高精細イオン温度計測を移設して協力をはじめている。スケーリングデータを拡充する意味からも，並行して加熱実験を進めていく。東大の現状予算の小型コイルでは1keV程度のイオン加熱が得られる磁場で破断の危険にさらされ，既に２個破断しているため，実験の最後にチャンピオンデータを記録する高磁場加熱実験を行うとともに，ST-40を積極的に利用した高磁場加熱実験を行う予定である。

次年度使用額が生じた理由

電子加熱が当初予想より急峻にＸ点にピークすることを見出し，磁力線に垂直な成分の加熱がキーとなることを粒子シミュレーションで予測して反響を呼んだため，トムソン散乱計測の空間分解能を3倍に高め，追加の2成分計測を完了して，焦点のイオン加熱を引き起こす電子による負ポテンシャル井戸の先行形成の物理を更に深める必要がある。また，得られた成果を核融合分野で中心となるIAEA Fusion Energy　Conference（平成30年10月）で発表し，論文投稿を完了する必要がある。

研究成果

• [国際共同研究] Tokamak Energy社/カラム研究所(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Tokamak Energy社/カラム研究所
• [国際共同研究] 国立成功大学(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 国立成功大学
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [雑誌論文] Magnetic island dynamics in magnetic reconnection in UTST experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamio S.、Inomoto M.、Yamasaki K.、Yamada T.、Cheng C. Z.、Ono Y.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 ページ: 012126～012126
  • DOI: 10.1063/1.5006092
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scaling Study of Reconnection/ Merging Heating of Spherical Tokamak Plasmas for Direct Access to Burning Plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, M. Akimitsu, S. Inoue, A. Sawada, A. Borade, Q. Cao, H. Tanabe, C. Z. Cheng, R. Horiuchi
  • 雑誌名: Fusion Energy 2018 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Reconnection Downstream Conditions on Electron Parallel Acceleration during Merging Start-up of Spherical Tokamak (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Inomoto, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, K. Kondo, T. Mihara, Y. Minami, Y. Inai, R. Yanai, Y. Takahata, H. Tanabe, Y. Ono, A. Sanpei, S. Kamio
  • 雑誌名: Fusion Energy 2018 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of fine structure formation of guide field reconnection during merging plasma startup of spherical tokamak in TS-3U (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tanabe, H. Hatano, T. Hayashi, Q. Cao, A. Sawada, M. Akimitsu, M. Inomoto and Y. Ono
  • 雑誌名: Fusion Energy 2018 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flux amplification of a field-reversed configuration by double-sided plasmoid injection (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Itagaki, T. Asai, M. Inomoto, and Ts. Takahashi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 82551
  • DOI: 10.1063/1.4996570
  • 査読あり
• [雑誌論文] Separated Double-Current Layers in a High-Guide-Field Reconnection Experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: Kyohei Kondo, Michiaki Inomoto, Xuehan Guo, Tomohiko Ushiki, Takumichi Sugawara, Takumi Mihara, Shuji Kamio, Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 ページ: 1202033
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1202033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reconstruction of plasma shape and eddy current profile based on modified cauchy condition surface method in merging spherical tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ushiki, M. Inomoto, M. Itagaki
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 122 ページ: 36,41
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.09.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy Conversion Mechanism for Electron Perpendicular Energy in High Guide-Field Reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: X. Guo, R. Horiuchi, C. Z. Cheng, Y. Kaminou and Y. Ono
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 32901
  • DOI: 10.1063/1.4977908
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of merging/reconnection heating during solenoid-free startup of plasmas in the MAST Spherical Tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, C. Michael, B. Crowley, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, J. Harrison, T. O'Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono and The MAST Team
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 56037
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6608/met
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Localized electron heating during magnetic reconnection in MAST (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, H. Tanabe, T. G. Watanabe, Y. Hayashi, R. Imazawa, M.Inomoto, Y. Ono, M. Gryaznevich, R. Scannell, C. Michael and The MAST Team
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 ページ: 106019
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/10/106019
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical study of Hall effects on counter-helicity spheromak merging by twodimensional Hall- MHD simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kaminou, Xuehan Guo, Michiaki Inomoto, Yasushi Ono, and Ritoku Horiuchi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 32508
  • DOI: 10.1063/1.4978785
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent progress of magnetic reconnection research in the MAST spherical tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Tanabe, Takuma Yamada , Takenori G Watanabe , Keii Gi , Michiaki Inomoto , Ryota Imazawa , Mikhail P Gryaznevich , Clive Michael , Brandan Crowley , Neil J Conway , Rory Scannell , Chio Z. (Frank) Cheng , Yasushi Ono , the MAST team
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 56108
  • DOI: 10.1063/1.4977922
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Merging Formation of FRCs and STs in TS-3, TS-4 and TS-U (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, A. Sawada, M. Akimitsu, H. Hatano, Y. Kaneda, H. Tanabe, M. Inomoto, S. You and C. Z. Cheng
  • 学会等名: US-Japan Workshop on Compact Tori 2017 (CT2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Scaling Study of Reconnection Heating in Torus Plasma Merging Experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Ono
  • 学会等名: The 19th International Spherical Torus Workshop (ISTW 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Relaxation of Merging Compact Torus Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: Setthivoine You, Yasushi Ono
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 招待講演
• [学会発表] CODEVを応用した高スループット・高精細分光システムの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田辺博士
  • 学会等名: CODEV特別セミナー2017
  • 招待講演
• [学会発表] Merging Formation of High-Beta STs in UTST (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Inomoto, T. Ushiki, X. Guo, T. Sugawara, K. Kondo, T. Mihara, Y. Minami, Y. Inai, H. Tanabe, Y. Ono
  • 学会等名: The 19th International Spherical Torus Workshop (ISTW 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Power Heating of Magnetic Reconnection in Torus Plasma Merging Experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Ono, Horoshi Tanabe, Hideya Koike, Taishi Kaneda, Hironori Hatano, Moe Akimitsu, Asuka Sawada1, Syunsuke Usami, Ritoku Horiuch
  • 学会等名: 1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent progress of magnetic reconnection research in high field merging experiment using 2D imaging diagnostics (2017)
  • 著者名/発表者名: Horoshi Tanabe, Hideya Koike, Taishi Kaneda, Hironori Hatano, Moe Akimitsu, Asuka Sawada, Yasushi Ono
  • 学会等名: 1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Scaling Study of Reconnection Heating in Torus Plasma Merging Experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, M. Akimitsu, A. Sawada, T. Hayashi, H. Koike, Y. Kaneda, H. Hatano, H. Tanabe
  • 学会等名: Proceedings of 2015 International Workshop on Interrelationship Between Plasma Experiments in the Laboratory and in Space
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fine structure formation of high field reconnection experiment in MAST and Univ. Tokyo (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, H. Koike, A. Kuwahata, H. Yamanaka, K. Kimura, M. Narita, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, T. O'Gorman, K. G. McClements, C. Z. Cheng, Y. Ono and the MAST team
  • 学会等名: MR2017 Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of Parallel Electric Field in Collisionless Reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Z. Cheng, S. Inoue, Y. Ono and R. Horiuchi
  • 学会等名: MR2017 Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Power Heating of Magnetic Reconnection in TS, MAST and ST-40 Experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, H. Tanabe, S. Inoue, K. Gi, X. Guo, R. Horiuchi, S. Usami, C.Z. Cheng, M. Gryaznevich
  • 学会等名: MR2017 Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of High-Field ST Merging Experiment: TS-U for High Power Reconnection Heating (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Ono, Moe Akimitsu, Asuka Sawada, Qinghong Cao, Hideya Koike, Hironori Hatano, Taishi Kaneda, Hiroshi Tanabe
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a sub-cm high resolution ion Doppler tomography diagnostics for fine structure measurement of guide field reconnection in TS-U (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Tanabe, Hideya Koike, Hironori Hatano, Takumi Hayashi, Qinghong Cao, Shunichi Himeno, Taishi Kaneda, Moe Akimitsu, Yasushi Ono
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Effective Ion Heating in Guide Field Reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: Xuehan Guo, Ritoku Horiuchi , Shunsuke Usami ,Yasushi Ono
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma shape reconstruction for merging spherical tokamak based on modified CCS method (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ushiki, M. Inomoto, M. Itagaki, S. McNamara
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 2D High-Resolution Measurement of High Guide-Field Magnetic Reconnection in TS-3U Spherical Tokamak Merging Experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: Qinghong Cao, Moe Akimitsu. Asuka Sawada, Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Development of high-resolution two-dimensional magnetic field measurement system by use of printed-circuit technology (2017)
  • 著者名/発表者名: Moe Akimitsu, Qinghong Cao, Asuka Sawada, Hironori Hatano, Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Global electrostatic potential structures of merging flux tubes in TS-U torus plasma merging experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: Asuka Sawada, Hironori Hatano, Moe Akimitsu. Qinghong Cao, Kotaro Yamasaki, Hiroshi Tanabe, Yasushi Ono
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [図書] Formation of Field-Reversed Configuration by Use of Two Merging Spheromaks with Opposing Toroidal Field (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Ono, Toshiki Tajima, Michl Binderbauer
  • 総ページ数: 196
  • 出版者: AIP Publishing
  • ISBN: 9780735413685