高ベータ自己組織化プラズマの巨視的安定性および閉じ込め特性の積極的制御法の開発 Control of Global Stability and Confinement of a Self-Organized Hi-Beta Compact Torus

浅井朋彦１

Tomohiko Asai1

Abstract: A magnetized coaxial plasma gun (MCPG) has been proposed as an effective device for control of a high-beta self-organized compact torus of field-reversed configuration (FRC). The initial results demonstrate that the application of an MCPG suppresses the most prominent FRC instability of the centrifugally-driven interchange mode with toroidal mode number n = 2. This observation was made on the Nihon University Compact Torus Experiment (NUCTE), a flexible theta-pinch-based FRC facility. In thIss.eries of experiments, a MCPG generates a spheromak-like plasmoid which can then travel axially to merge with a pre-existing FRC. When CHI is applied, the onset of elliptical deformation of FRC cross-section is delayed until 45 – 50 µs from FRC formation compared to the onset time of 25 µs in the case without CHI. These changes have been made despite the quite modest flux content of the plasmoid compared with the poloidal flux in the pre-formed FRC. The observed global stabilization and confinement improvements suggest that the MCPG can actively control the rotational instability. １． 序論 極限的に高いベータ値（プラズマの熱圧力／外部磁

気 圧 ） を 持 つ 磁 場 反 転 配 位 （ Field-Reversed Configuration: FRC）プラズマの安定性および閉じ込め制御法として ,磁化同軸プラズマガン（Magnetized Coaxial Plasma Gun: MCPG）を用いた磁気ヘリシティ入射法を提案し，その効果を世界で初めて実験的に示し

た[1]．この現象は，多様な応用実験に対応することで知られる日本大学理工学部の逆磁場シータピンチ型

FRC 装置，NUCTE シリーズ[2]において実施され，MCPGの応用がFRCの配位持続時間を制限する極めて破壊的な不安定性を抑制することを実証した．

FRCは，多くの魅力的な工学的特性，すなわり高いベータ値，トーラスと鎖交するコイルのない円筒状の

装置配位，そして生成部と閉じ込め部の分離を可能に

する軸方向移送によって，ユニークで高いパフォーマ

ンスを持つ核融合炉心プラズマとなることが期待され

ている．Figure 1に FRCの構造の模式図を示すが，特

にその磁場配位はポロイダル磁場のみからなる極限的

にシンプルなものであり，プラズマ領域を取り巻く開

いた磁力線領域はダイバータ配位を形成する．これら

の特徴から，反応に高いプラズマ温度が要請されるた

め，シンクロトロン放射損失によりトカマクなどの低

ベータシステムでは実現が困難な D-3He 核融合炉心としても期待され，特にこの反応において適用が期待さ

れる直接エネルギー変換法[3]との適合性も高い．プラ ズマを閉じ込めるポロイダル磁場の形成はプラズマ中

を流れる反磁性電流が担うことから，圧力勾配のみを

維持すれば，原理的には配位が恒久的に維持される可

能性を持ち合わせる． しかしながら FRCの物理においては，おもにその巨視的安定性，またその有効な制御法や核融合反応を実

現するに足る電流駆動法の開発において重要な課題が

残されている．温度と密度の観点から最も高い性能を

持つ FRC はシータピンチ法で生成されているものの，配位持続時間は数百マイクロ秒程度であり，また核融

合燃焼炉に要求される閉じ込め性能や大域的安定性は

未だ確立されていない． MCPG は, スフェロマックの生成手段として古くから知られる方法であるが，近年，その性能の向上やプ

ラズマの緩和現象などの物理的理解の進展により，ト

カマクなどの炉心プラズマへの燃料供給，球状トカマ

ク（ Spherical Tokamak: ST）やスフェロマック（Spheromak: Sph）への同軸ヘリシティ入射（Coaxial Helicity Injection: CHI）などの手段としての利用が提案，実証されて来た[4]．特に FRCを対象とする場合，ポロ

１：日大理工・教員・物理

Figure 1. Schematic view of the field-reversed configuration.

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S4-23

イダル・トロイダルの両磁束を有する磁化プラズモイ

ドを容易に加速・射出できるその特長から，不安定性

の抑制，電流駆動，径電場の制御さらにトロイダル・

ポロイダル磁場の適切なバランスの維持など様々な応

用が期待される． FRCにおいて最も危険な大域的不安定性は，遠心力により駆動されるトロイダルモード数 n = 2 の回転不安定性である．この不安定性により FRCの断面形状は楕円に変形し，その成長により最終的にプラズマの境

界が放電容器壁へと接触し配位が破壊される．Figure 2に生成から不安定性による形状変形に至るまでの FRCの断面形状のトモグラフィ像を示す．この不安定性に

よる配位の崩壊のため，テータピンチ法により生成さ

れる FRCの配位持続時間 τはおよそ粒子閉じ込め時間τNのオーダーとなる． 外部から供給される静多極磁場がこの不安定性を抑

制できることが示されたが[5]，多極磁場によるトロイダル方向の非対称性により閉じ込めが劣化することが

わかっており，特に閉じ込め性能に課題をもつ FRCに

とっては適切な不安定性抑制方法とは言えない．この

非対称性を低減する手法として，ヘリカル状多極磁場

の利用も提案され，不安定性の制御法としてはその優

位性が示されたが[6, 7]，閉じ込め性能については，有効性は確認されなかった[8]． 回転不安定性については，ワシントン大学の TCS（Translation Confinement Sustainment）装置においてFRCの高速移送における自己組織化現象，すなわちトロイダル磁束からポロイダル磁束への変換と，それに

よって不安定性が抑制される現象が観測された[9]． この現象は，二流体 MHD モデルにおける極小エネルギー状態として説明され[10]，FRC における新たな回転不安定性の制御の可能性，すなわち，極少量のトロイ

ダル磁束がこの自己組織化状態における安定性のキー

となる可能性を示した． 本研究では，MCPG により生成された磁化プラズモイドを通じて，トロイダル磁束を積極的に FRCへ注入する． FRCは入射されたトロイダル磁場を持つ磁化プラズモイドとの合体・緩和過程を経て，有限な磁気ヘ

リシティを持つ平衡状態へと遷移するが，この遷移後

の FRCの巨視的安定性が実験的に観測・検証された． ２． 実験装置 一連の実験は，逆磁場テータピンチ型 FRC 装置，

NUCTE-III において実施された．装置概要を Figure 2に示す．コイルは長さ 0.9 m，内径 0.34 mのシータピンチコイルと，その両端に取り付けられた長さ 0.3 m 内径 0.32 mのミラーコイルから成り，装置軸上でミラー比 1.13のミラー磁場を形成する. 放電管は長さ 2m，内直径 0.256 m の合成石英製であり，近赤外から近紫外領域にわたる光学計測を可能にしている．

Figure 3. Schematic view of NUCTE-III with a magnetized coaxial plasma gun.

Figure 2. Time evolution of the tomographically reconstructed cross section of plasma column.

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NUCTE-III における通常のオペレーションでは，10mTorr の重水素封入により，セパラトリックス半径0.05 m，長さおよそ 1.3 m，電子密度 ~2.5 × 1021 m-3 のFRCプラズマが生成される．

NUCTE のおもな計測システムは線積分電子密度を計測するための He-Neレーザー干渉計と排除磁束法に磁場配位の形状を観測する磁気プローブおよび磁束ル

ープから成る．さらに，前述のように石英製の放電チ

ェンバーを用いていることから，全方位からの光学計

測が可能であり，60組の光学コリメータと光ファイバ，および光電子増倍管から構成される光学計測システム

が取り付けられている．このシステムは，装置軸上で

約 10mm の空間分解能を持ち，干渉フィルタとの組み合わせによって，制動放射光（λ = 550 ± 5 nm）や重水素の線スペクトル（655 ± 5 nm for Balmer-α）やそのプラズマ内部における分布の観測が可能である [12]．

MCPGは，Figure 4に示すように生成部と閉じ込め部から成る．電極間にガスを封入するための高速電磁

弁とバイアスコイルが外部電極上に設置されており，

0.074 mWbのバイアス磁束が生成される．電極はミラーコイル端部まで延長されており，プラズモイド加速

部として機能する．実験では 22.5 kA のガン電流によりおよそ 15 µs の放電パルスが形成され，生成された磁化プラズモイドは，ターゲットとなる FRCの同軸上に射出される．放電容器中に形成された主圧縮磁場の

強度はおよそ 0.44 Tであり，この条件下における射出直後のプラズモイドの速度はおよそ 40 km/sである．

３． 回転不安定性の抑制

FRCに注入されたトロイダル磁束は，大変興味深い結果を導いた．Figure 5 (a) は，この効果を示す明確な

証拠の一つである線積分制動放射光強度 Ibの時間変化である．第２節で示した光学系によって得られる制動

放射光強度は Ib ∝ ne2/√Te の依存性を持つ[12]．ここで neは電子密度，Teは電子温度である．ヘリシティ注入のない場合，FRC生成後およそ 25 µsで，FRCの断面形状が楕円変形し回転していることを示す振動が現れ

る．これに対し磁気ヘリシティが注入されたケースで

は，振動が開始する時刻が 45 – 50 µsにまで遅れていることがわかる． 不安定性の発生に加えて，MCPG によるヘリシティ注入は，トロイダル回転の周波数 Ωi を 4.2 から 2.6 [×105 rad/s]にまで低下させている. これは多極磁場による安定化では見られなかった現象であり，FRCにおける磁気ヘリシティ注入法の物理機構が，多極磁場に

よるものと異なることを示していると考えられる．さ

らに，FRCのポロイダル磁束の減衰時間 τφはおよそ 57 µsから 67 µsに伸長している（Figure 5 (b)）． ここで特筆すべきことは，これらの明確な効果が

FRCのトロイダル磁束 0.4 mWb に対して 0.01 mWbという極めて少量のトロイダル磁束により実現している

ことであり，工学的効率の観点からも，多極磁場法に

対する優位性を持つことが示されている． ４． まとめ 制動放射光とポロイダル磁束の観測結果は，MCPGの適用により，FRCプラズマの回転不安定性が積極的に制御され，さらにその結果，閉じ込めが改善したこ

とを示している．前述のように，回転不安定性は多極

Figure 4. Schematic view of NUCTE-III with a magnetized coaxial plasma gun.

Figure 5. Time evolutions of (a)line-integrated Bremsstrahlung (λ =550±5nm) and (b)poloidal flux.

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磁場によっても安定化されることが知られているが

[5-7]，同時にトロイダル方向の非対称性によって閉じ込めに悪影響があることも指摘されていた[8]．これは，本研究で示したMCPGによる方法が，安定化と閉じ込めの向上を同時に示した点で，これまで唯一の安定化

の手法であった多極磁場による方法に対して優位性を

持つことを示していると言える．また，従来の多極磁

場法では，トロイダル回転速度の低下は見られていな

いことから，明らかに異なる物理機構により FRCの安定化が実現していることがわかる．この点については

今後解明を目指すが，注入された少量のトロイダル磁

場により FRC軸上に形成される極めて高い安全係数 qの分布が，大域的な安定性を実現している可能性を指

摘しておきたい． 本稿では詳しく触れなかったが， MCPGはその特徴から，核融合プラズマ，特に FRCにおいて，(1) STやSphにおける CHIと同様の電流駆動法，(2)径電場の制御を実現するプラズマ電極，そして(3)粒子補給の効果が期待されるほか，我々の研究グループにおいてもこ

れまでに，磁力線再結合加熱を利用した短波長光源，

高速薄膜形成法，極低エネルギー粒子ビーム[13]などを提案し実験的に実証してきている．さらに，現在船橋

校舎物理実験 A 棟において建設中の実験装置 FAT（FRC Amplification via Translation / Transformer）を含め，電子密度として 1 × 1020から 5 × 1021 m-3，温度とし

て 50から 500 eVの極めて広いパラメータ領域における FRC実験が可能となっており，さらなる実験の展開が国内外より期待されている． ５． 謝辞 本研究に協力いただいた物理学科核融合研究室のメン

バーおよび井通暁博士（東京大学）， Loren C. Steinhauer博士（ワシントン大学）に感謝する．本研究の一部は

文部科学省科学研究費補助金（課題番号：21740403および 19560829），日本大学学術助成金および日本大学N.研究プロジェクトの助成によった． ６． 参考文献 [1] T.Asai, Ts. Takahashi, H. Matsunaga et al, : “Active stability control of a high-beta self-organized compact torus”, in 23rd IAEA Fusion Energy Conference, Daejeon, Korea, ICC/P5-01, 2010. [2] Y. Matsuzawa, T. Asai, Ts. Takahashi et al. : “Effects of background neutral particles on a field-reversed

configuration plasma in the translation process”, Phys. Plasmas, Vol.15, Iss.. 8, pp.082504 1-8, 2008. [3] H. Takeno, Y. Yasaka, Y. Nakashima et al. : “Studies of scaling law on direct energy conversion for advanced fusion”, J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.2, pp.17-120, 2008. [4] R. Raman, B.A. Nelson, M.G. Bell, et al. : “Efficient generation of closed magnetic flux surfaces in a large spherical tokamak using coaxial helicity injection”, Phys. Rev. Lett., Vol.97, Iss.17, pp.175002 1-4, 2006. [5] S. Ohi, T. Minato, Y. Kawakami et al. : “Quadrupole stabilization of the n = 2 rotational instability of a field-reversed theta-pinch plasma”, Phys. Rev. Lett., Vol.51, Iss.12, pp.1042-1045, 1983. [6] S. Shimamura and Y. Nogi : “Helical quadrupole field stabilization of field-reversed configuration plasma”, Fusion Technol. Vol.9, No.1, pp.69-74, 1986. [7] D.J. Rej, W.T. Armstrong, G.A. Barnes et al. : “Helical and straight quadrupole stabilization of the n = 2 rotational instability in translated field-reversed configurations”, Phys. Fluids Vol.29, Iss.8, pp.2648-2656, 1986. [8] Y. Ohkuma, Ts. Takahashi, K. Suzuki et al. : “Effect of multipole fields on field-reversed configuration plasma”, J. Phys. Soc. Japan, Vol.63, No.8, pp. 2845-2848, 1994. [9] H.Y. Guo, A.L. Hoffman, L.C. Steinhauer et al. : “Observations of Improved Stability and Confinement in a High-β Self-Organized Spherical-Torus-Like Field-Reversed Configuration”, Phys. Rev. Lett., Vol.95, pp. 175001 1-4, 2005. [10] L.C. Steinhauer and H.Y. Guo : “Nearby-fluids equilibria. II”, Phys. Plasmas, Vol.13, Iss.5, pp.052514 1-8, 2006. [11] R.D. Milloy and L.C. Steinhauer : “Improved confinement and current drive of high temperature field reversed configurations in the new translation, confinement, and sustainment upgrade device”, Phys. Plasmas, Vol.15, Iss.5, pp.056101 1-7, 2008. [12] Ts. Takahashi, H. Gota, T. Fujino et al. : “Multichannel optical diagnostic system for field-reversed configuration plasmas”, Rev. Sci. Instrum. Vol.75, Iss.12, pp.5205-5212, 2004. [13] T. Asai, H. Itagaki, H. Numasawa et al. : “A compact and continuously driven supersonic plasma and neutral source”, Rev. Sci. Instrum. (to be published).

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