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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K21868
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 浅井 朋彦 日本大学, 理工学部, 教授 (00386004)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 自己組織化 / 高ベータ磁化プラズモイド

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場構造を観測するため，令和２年度までに，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，イオンドップラー分光システムを多チャンネル化し，FRCの特徴の一つとされるトロイダルスピンアップやプラズマ柱の角運動量の時間発展を観測した。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ないことがわかった。さらに磁場構造の自己組織化的形成の直接的な証拠を観測するため，高温のプラズマ内部で観測可能な内部ロゴスキー電流プローブを開発した。
これらの計測系を用いて行った実験の結果，衝突時の相対速度が秒速300-500kmとなり，イオン音速やアルヴェン速度を大きく超える衝突合体過程では，磁場構造やそれを形成するプラズマ電流，トロイダルフローなど，FRCを特徴付ける巨視的な特性が１度失われた後，数アルヴェン時間（60μs）程度の時間を経て，再びトロイダル電流が駆動され，それによって駆動されるポロイダル磁場のみからなるFRC（磁場反転配位）が形成される様子が観測された。
FRCは，体積平均ベータが100%に近く，磁気ヘリシティや一般化ヘリシティを持たないことから，既存の磁化プラズマの緩和モデルの枠組みに収まらない緩和過程が観測されたと言える。磁場や粒子の拡散時間よりも高速にプラズモイド衝突が生じた場合に圧力勾配により駆動される自発電流によって配位が形成されているものと考えられるが，衝突時に生じる激しい擾乱にも関わらず崩壊しないロバストな安定性など未解明な点も多く，さらなる研究が必要であると言える。

Research Products

• [Journal Article] Numerical simulation of wave propagation and plasma response excited in field-reversed configuration plasma (2021)
  • Author(s): Takahiro Urano, Toshiki Takahashi, Tomohiko Asai and Shigefumi Okada
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 62 Pages: 026019 (1-10)
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac3a19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of self-organized FRC formation in a collisional-merging experiment (2021)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 61 Pages: 096032 (1-17)
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac189c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Overview of C-2W: High-temperature, steady-state beam-driven field-reversed configuration plasmas (2021)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 61 Pages: 106039 (1-19)
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2521
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Internal magnetic measurement in collisional-merging process of a field-reversed configuration (2021)
  • Author(s): T. Watanabe, T. Asai, Ts. Takahashi, D. Kobayashi, D. Harashima
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Pages: 053541 (1-5)
  • DOI: 10.1063/5.0043785
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MHD simulation of supersonic FRC merging corrected by non-invasive magnetic measurements (2021)
  • Author(s): D. Kobayashi, T. Asai, Ts. Takahashi, T. Watanabe, T. Yoshino, D. Harashima, S. Dettrick, Y. Mok, and H. Gota
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Pages: 053515 (1-5)
  • DOI: 10.1063/5.0043711
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超音速プラズモイド衝突過程における構造遷移 (2022)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] FRC の超音速衝突衝突と自己組織化的配位形成 (2021)
  • Author(s): 浅井朋彦
  • Organizer: 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」
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 第38回年会
• [Presentation] FRC衝突合体実験における反転磁場形成条件 (2021)
  • Author(s): 原島大輔，小林大地，関太一，渡邉達大，髙橋努，浅井朋彦
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 第38回年会
• [Presentation] 衝突合体実験におけるFRCの自己組織化的形成 (2021)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会