J. Plasma Fusion Res. Vol.93, No.12 (2017)５
６３‐５７２

解説

磁化プラズマガンが創り出す多彩なプラズモイドの世界
The World of Various Plasmoids Created by Magnetized Plasma Gun
永 田 正 義，神 吉 隆 司１）
NAGATA Masayoshi and KANKI Takashi１）
兵庫県立大学大学院工学研究科，１）海上保安大学校（原稿受付：２
０
１
７年１
０月１
６日）

プラズマガンと聞けば，「古い，不純物がいっぱい」と昔に一度使ったことのある研究者の方にはそういっ
たローテクのイメージを持たれるかもしれない．ところが実は，「安くて，おもろい研究」が満載である．プラズ
マガンはなぜか今も人気がある．壮大な宇宙の神秘と謎を探ることから始まり，既存の核融合開発への貢献，さらにはより単純な核融合炉をより安価に早くできる可能性までも秘めている．プラズマガンはこの刺激的で魅力的なテーマに挑戦し，進化しているのである．それではいったい，最新のプラズマガンは何を供与してくれるのか？ 例えば，超高密度なプラズマ，ヘリシティ，ダイナモ電場，フロー，回転と渦，リコネクション，波動，プ
ラズマ加速，圧縮と加熱技術など，利用できそうな物理と技術が豊富にある．多様性に富んだ複雑なプラズマ集団現象の探究，核融合への新たな挑戦と多くの技術課題の克服に向けて，これらの能力をもっとフルに活用した
い．「それホンマかいな，Really？」という好奇心いっぱいに本稿を読んでいただき，磁化プラズマガンを大いに利用していただければ幸いである．
Keywords:
magnetized plasma gun, plasmoid, coaxial helicity injection, plasmoid reconnection, two-fluid, compression and heating,high energy density plasma, magnetized target fusion

１．はじめに（MCF）と慣性核融合（ICF）の中間領域のパラメータをめ

核融合装置が巨大化し，付随する関連技術も高度化してざすことで点火条件を緩和し，より低コストで早期に商業いる状況の中，プラズマガンは今どこで活用されているの炉を実現しようというものである．大学・国立研究機関だ

だろうか？

日米の大学研究室レベルのグループで構成さけでなく，最近注目の核融合ベンチャ―企業もこのプロれる EPR（Exploratory Plasma and Fusion Research）とい

ジェクトに参画している．この様な動向の中，プラズマガ

う分野がある．ここでは，プラズマ科学のディスカバリー

ン技術は高エネルギー密度プラズマのドライバーとして活から核融合まで実に様々な研究が実施されている．例え

用され，新しい核融合技術を切り拓くものと期待されていば，経済性の高い簡素な核融合炉をめざしたコンパクト

る．

トーラス（CT），逆磁場ピンチ（RFP）や小型球状トカマ

核融合の分野では，ガンスフェロマック閉じ込め研究かク（ST）などの核融合方式の新しい展開，宇宙天体プラズ

ら発展し，同軸または局所型ヘリシティ入射法（Coaxial

マ模擬研究，さらに既存の核融合装置への応用などがあor Local Helicity Injection: CHI/LHI）による球状トカマク

り，これらの広範な分野で様々なプラズマガンが使われてのスタートアップにプラズマガン（電極放電）が利用されいる．また，最近，米国エネルギー省（DOE）が新規部門ている．核融合への応用技術として，プラズマコア領域へとして立ち上げたエネルギー高等研究計画局（Advancedの燃料粒子補給，フローや電場を使ったプラズマの安定

Research Projects Agency-Energy: ARPA-E）
［１］
はエネル

化，Edge Localized Mode（ELM）を模擬したパルス高熱負ギー分野におけるリスクは高いが大きなリターンが期待で荷材料試験など応用領域は拡大している．天体宇宙の分野

きる研究への資金助成（ハイリスク・ハイペイオフ型ファ

では，太陽フレアや地球磁気圏で見られる孤立したプラズンド）を行っている．ここでもプラズマガンが重要なツー

マの塊（プラズモイド）噴出，太陽ループのキンク不安定

ルとして度々登場してくる．それは，このプロジェクトの性と回転など突発的な諸現象の実験室内での再現に利用さ中心テーマである「磁化ターゲット核融合（Magnetized

れている．

Target Fusion: MTF）
［２］に必要なプラズマの加速圧縮技」

プラズマガンで何ができるのか？

プラズマソースとし術として，プラズマガンが非常に有用であるからである．

てだけではない．プラズマガンから磁化プラズマガンへと

この古くて新 し いア プ ロ ー チ は，磁 場 閉 じ 込 め 核融合

進化することで，核融合から天体宇宙で観測される広範なGraduate School of Engineering University of Hyogo School, Himeji, HYOGO 671-2280, Japancorresponding author’s e-mail: nagata@eng.u-hyogo.ac.jp

５６３!2017 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.12 December 2017

表１

最近のプラズマガン利用の研究分野と実験装置．

Application Category
Purpose
Fusion Plasmas (ST, Spheromak, FRC)
･Coaxial Helicity Injection (CHI)･Current start-up and current drivefor high !confined plasmas･Helicity and reconnection physics･Local Helicity Injection (LHI)･Compact Toroid Injection (CTI)･Gun Electrode Biasing･Current start-up･Helicity and reconnection physics･Deep fueling･Density profile control･Angular momentum injection･Disruption mitigation･Edge electric field control･Rotational instability control

Devices
NSTX (PPPL) [5], HIST (U. Hyogo) [6], HIT-II (U. Washington) [7], SSPX (LLNL) [8], QUEST (Kyushu U., PPPL andU. Washington) [9], PROTO-SPHERA (ENEA) [10]Pegasus (U. Wisconsin) [11]QUEST (Kyushu U. and U. Hyogo) [12], CTIX (UC-Davis)[13], STOR-M (U. of Saskatchewan) [14], C2-CTI (Tri Alpha
Energy Inc. and Nihon U.) [15], Nanoparticle plasma jet(FAR-TECH. Inc.) [16]C2 FRC+ Guns (Tri Alpha Energy Inc.) [17]Low-cost Advanced Fusion Plasmas(MTF/MIF)･Compression and Heating･Gun plasma formation for compression heating･Flow Shear Stabilization･Shear flow stabilization of Z-Pinch
plasmas･Plasma Jet Acceleration･Jet merging shock heating･Acceleration of plasmas with helicalrelaxed states
Fusion Plasma Wall Interaction･Transient high-heat load tests oftungsten divertor materials

SPECTOR/PI3 (General Fusion Inc.) [18]ZaP/FuZE (U. Washington and LLNL) [19],PLX (LANL and HyperJet Fusion Corp.) [20], SSX (Swarthmore College) [21]SPICA (NIFS and U. Hyogo) [22],Magnetized plasma gun (U. Hyogo) [23],NAGDIS-PG (Nagoya U. and U. Hyogo) [24]Astrophysical jet experiments (Caltech) [25], SSX (SwarthMagnetic Reconnection and Self- ･Space plasma dynamics
organization･Kink and Rayleigh Taylor instabili- more College) [26], Hel Cat (U. of New Mexico), STPX (Florida A &M U.), Mochi (U. Washington)ties driven by jet

プラズマ現象の世界を創り出すことができるようになっ

合装置内部にある W ダイバータ板と違って，プラズマガン

た．具体的には，高密度プラズマ生成，ダイナモによる磁は閉じ込め領域までの距離をできるだけ離して外部に設置

束増幅，ヘリシティ入射による電流駆動，合体と磁気リコすることが肝要である．

ネクション，流れと２流体緩和現象，ガン電極バイアス電以上のプラズマガンを利用した最近の研究動向を整理し場がつくる "!!フローによる回転不安定性の安定化なて表１にまとめた．表１の中の一部の研究は，これまで本ど，多彩にある．これらの多くは通常のプラズマガンを磁誌の解説，小特集で説明がなされているので，詳しくはそ化させることで，閉じ込め磁場がつくられ，高密度な状態

れらを参考にしていただきたい［２７‐３０］．本稿ではプラズを長く維持できるようになったことで実現している．さらマガンを使った MTF 核融合，プラズモイドリコネクショに電磁パルスパワー技術と組み合わせることで超音速まで

ン及び２流体緩和に焦点を当てて以下で解説する．

磁化プラズモイドを加速させることにより，幅広い分野へ

２．磁化プラズマガンが創る高密度ターゲットプ
ラズマの応用が可能となった．この磁化のアイデアが実証されたのは，１９５９年アルヴェンらが同軸ガンの出口付近に磁石を取り付け，磁化プラズマリングを作ったのが最初である

磁 化 タ ー ゲ ッ ト 核 融 合（MTF）や 磁 場 慣 性 核 融 合［３］．これによってプラズマはポロイダルとトロイダルの（Magneto-Inertial Fusion: MIF）と呼ばれる核融合コンセ

両磁場をもつ中心に構造物をもたないトーラス磁場配位プ

プトは１９７０年代に米国 Naval Research Laboratory（NRL）

ラズマとなりスフェロマックが誕生した［４］．また，プラの LINUS（Slow liner）プログラムで提唱されたのが始まりズマ中に磁気ヘリシティ（磁束管の絡み）が内包するようである［２］．そのすべてのアイデアにはターゲットプラズになり，その保存性に着目した Taylor 緩和理論を基礎とす

マに磁場を与え，核融合条件を満たすために圧縮を行うプ

るプラズマの自己組織化や秩序構造形成に関する数多くのロセスが含まれている．最大の利点はドライバーのパワー

実験と理論シミュレーション研究がなされている．

を軽減できることである．MCF の磁場による熱輸送の軽電極放電で減の長所に ICF の圧縮加熱がハイブリッドされた MTFあるため，必然的に電極表面から放電領域への鉄（Fe）等

プラズマガンは本当に不純物が多いのか？

核融合は，点火条件のための"Sweet spot"と呼ばれる中間の High Z 不純物流入は避けられない．そのため，タングス

領 域 の パ ラ メ ー タ（密 度〜1025 m−3，温 度〜5 keV，テン（W）やモリブデン（Mo）材料を用いて電極を製作ま

磁場〜103 T）が存在する．そのため，MTF 核融合炉設計

たは表面にコーティングすることで不純物対策を施していの最大の長所は，より低い圧縮比でより低エネルギーのドる．しかし実際には，内部電極の先端部から遠く離れた場

ライバーが許容されることであり，プラズマガンはそのド所までは重い不純物粒子は飛んでこない．そのため，核融ライバーの有力な候補の一つである．そのマイクロ秒オー
５６４Commentary

The World of Various Plasmoids Created by Magnetized Plasma Gun

M. Nagata and T. Kanki

ダーの比較的ゆっくりした圧縮によって寿命の長い高密度る．装置全体はコンデンサー電源設備を入れてもかなりコなプラズマを生成できる．MTF のためのターゲットプラ

ンパクトにできている．スケーリングによるパワーバラン

ズマとして，磁場反転配位（FRC）プラズマも提案されてスの計算によれば，500−700 kA のガン電流でブレイクいる［３１］．また，サンディア国立研究所（SNL）ではレーイーブン（半径〜0.1 cm，密度〜1025 m−3）が達成される予ザーによる先行加熱を複合させた大電流ピンチによる磁場測であり，現在ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）

ライナー圧縮実験（MagLIF）が実施され，すでに点火に必と共同で炉設計が実施されている．

要な磁場強度が得られている［３２］．本稿では，プラズマガ

２．
２ スフェロマック爆縮実験

ンが使われている圧縮実験について紹介する．これらのほ

カナダのベンチャー企業であるジェネラル・フュージョ

とんどが ARPA-E プロジェクトであり，技術概念の創出とン社（General Fusion Inc.）［３３］では，MTF の基本コンセプ

検証だけでなく，実用化に向けた技術の開発試作レベルのトに独自のアイデアを取り入れ，低コストで核融合発電を役割を担っている．

より早く実現する道を模索している（図２）．圧縮前の２．
１ シアフロー安定化 Z ピンチ実験

ターゲットとなるスフェロマック生成に磁化プラズマガン

図１はワシントン大学の ZaP グループで使われているプ

入射装置が用いられている．球状金属容器の中でリチウム

ラズマガンと生成模式図の一部である［１９］．プラズマガン

鉛の液体金属を高速回転させてできた渦ホール中（カップで作られる軸方向電流は金属容器の右端に到達すると外側の中のコーヒーをスプーンで回転させると渦の中心にホーの金属壁を通じてリターンする構造となっている．昔からルができるのと類似している）にスフェロマックを入射さあるプラズマフォーカスと似ているが大きく違った点があせ，容器のまわりに配置された多くの圧縮ガス駆動ピスト

る．軸方向電流によるピンチ効果を利用して細長いプラズンが作る衝撃圧力波によって圧縮する．今現在行われていマを径方向に圧縮し，維持する．通常，そのような大電流る圧縮実験では，容器の周辺に配置した火薬を用いて爆縮が中心軸上に集中しているプラズマ柱はキンク不安定性のされているが，カナダの山中での爆破シーンはなかなか迫発生と成長によって瞬時に壊れてしまう．しかし，この装力がある．最近では，トロイダルコイルではなく，中心導置ではプラズマ柱の周りに作られるシアフローがキンクや体表面にシャフト電流（1 MA）を流すことでトロイダル磁

ソーセージモードの不安定性を安定化することで比較的長場を導入し，ST 化を図っている．その結果，プラズマの寿い時間，軸対称で安定な状態を維持できている．

命が圧縮時間（〜0.05 ms）に比べて十分長い 2 msまで延長

最 近 の ZaP 実 験 で は，ガ ン 電 流 値５０−75 kA の 条 件

し，電子温度〜500 eV，電子密度〜1020 m−3 を達成していで，8.5 T の強磁場をもつ高密度プラズマ柱（半径 0.3 cm，る．さらに，容器形状で決まる磁場配位を最適化すること

長さ 1 m）が生成され，20−40 μs の間安定に保持されていで，圧縮過程において不安定性の回避を行い，圧縮比 2.5

23−3

る．また，高い電子密度〜2×10 mと〜1 keV にまで加倍まで安定に圧縮できている．圧縮による磁場（約 0.5 T

熱された電子とイオン温度が達成されている．ピンチされから 3 T に増大）と密度パラメータの増大だけでなく，Xたプラズマの周りにはシアフローが形成されていることは線計測から加熱の効果も観測している［３４］．閉じ込め時間

実験で検証されている．最初の装置（ZaP）では，このフが圧縮時間の約１０倍必要であるため，現在大型プラズマガ

ローは同じ電極放電で作られるので制御できないが，そのン装置（PI-3）の建設が計画されている．

後改良された装置（ZaP-HD）では内部電極を２重構造に

２．
３ ヘリカル緩和配位プラズマの衝突圧縮実験

してフローとソースプラズマを作る放電を分離してフロー

磁化プラズマガンで生成されたスフェロマックプラズマ制御を試みている．現在，ARPA-E プロジェクトの予算ではその動態特性から様々な最少エネルギー状態の磁場配位アップグレードした FuZE 装置で初期実験が開始されていに緩和する．図３に示したスワースモアカレッジの SSX装置［２１］では，細長い円筒ドリフト管内で軸対称な配位からヘリカルに捩れた（Twisted）
配位に緩和遷移したスフェロマック（$"〜1021 m−3，"#!10−40 eV，!!0.1−0.2 T，#! "100 km/s）を生成している［２６］．そのヘリカル緩和
プラズマを図の様な横長のフラックスコンサーバー（FC）中に移送を行い，FC の底の導体壁を利用して軸方向

図１

シアフロ―安定化Zピンチ（ZaP）装置（a）と生成模式図（b）（c）（参考文献［１９］，Fig. 3，Fig. 6 から転載）
．

図２

５６５

GF 社の磁化同軸プラズマガンによる種 ST 生成と圧縮シナ
リオ［３
４］
．

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４（B）
は二つのレ ー ル ガ ン で 作 っ た プ ラ ズ マ ジ ェ ッ ト（Ar，〜1020 m−3，〜40 km/s）の斜め入射衝突実験の結果である［３５］．右側上下から斜め方向に入射された二つの超音速プラズマフローの間にできた衝突ショックによって厚み２〜3 cm のスタグネーション層が形成され，密度が上昇している．観測されたジェットの構造は球状プラズマライ
ナーの圧縮の一様性にどの程度影響を与え，許容できるか
図３が調べられている．

SSX 装置でのヘリカルな磁場構造をもつスフェロマックの入射と圧縮［２１］．

３．核融合プラズマにおける磁気リコネクション
実験に圧縮する．FC 底へ衝突する瞬間のエネルギー損失が大きいと思われるが，この断熱圧縮過程で運動エネルギーが磁気リコネクション（磁力線再結合）は核融合プラズマ

熱エネルギーに変換されることが期待されている．

や太陽宇宙プラズマにおいて普遍的にみられる現象であ

２．
４ 球状プラズマライナー実験

り，磁力線の凍結がプラズマ抵抗によって破れ，つなぎかロスアラモス国立研究所（LANL）のプラズマグループ

えが起きる現象である．リコネクションによって磁場構造

は企業（Hyper V Technologies Corp．
）と共同で超音速プが変化し，磁場エネルギーがイオンや電子の運動・熱エネ

ラズマジェットガン（レールガンと同軸ガン）の開発をルギーに変換され，爆発的なエネルギーの解放が起きる．

行っており，それを使ったプラズマライナー実験（Plasma

リコネクションに関してはこれまで数多くの実験観測と理Liner Experiment: PLX）計画を進めている［２０］．図４（A）

論シミュレーション研究がなされているが，リコネクショ

は球形の真空容器とその周りに計３０台設置された小型プランの高速化は未解決な重要課題の一つとして残されていズマガンを示 し てい る．プ ラ ズ マ ガ ン で ア ル ゴ ンガス

る．太陽フレアやトカマクの鋸歯状振動など実現象で観測（Ar）の高密度プラズマジェット（直径 5−20 cm，質量〜される早いリコネクションは定常的な Sweet-Parker（S-P）

1 mg，密度〜1022 m−3，速度〜50 km/s）を生成し，容器のモデルでは説明ができない．これまで何らかの機構を考中心に向かって同時に入射衝突させる．その結果，中心付

え，拡散領域に局所的な異常抵抗を取り入れることによっ近で起きるスタグネーション圧力で中心のプラズマを圧力て説明がなされている．いくつかの他の説明のアプローチ

0.1−1 Mbar まで圧縮する計画である．現在は６台のプラとして，衝撃波，ホール効果や反磁性効果を取り入れた２ズマガンで実験中である．プラズマジェットが 0.5 m 離れ

流体モデル，運動論的モデル［３６］が使われている．核融合

た位置に向かってどのように伝搬し，それが続いての衝突

プラズマを用いたリコネクション実験は，球状トカマク

過程や収縮スタグネーション圧縮過程にどのように影響す

MAST 装置（英国カラム研究所）で精力的に行われておるのかについて関心が持たれている．このジェット特性のり，リコネクションによるイオン加熱についてスケーリン

解明は核融合だけでなく他の分野への応用にも役立つ．図グ則が調べられている［３７］．また，この実験を模擬した抵
抗性電磁流体力学（MHD）とホール MHD の両コードによるシミュレーションが実施されており，同じ抵抗値であってもホール効果（イオンスキン長）を入れることでリコネ
クション率がエンハンスすることが示されている［３
８］．
最近，プラズモイド不安定性がトリガとなって駆動される高速リコネクションが注目を浴びている．このような非定常なリコネクションについては参考文献［３９］で詳しく紹介されている．プラズモイドリコネクション［４０］について
は核融合プラズマを対象にした例はほとんど報告がない．
最近，NSTX 装置の CHI 実験のシミュレーションが実施され，プラズモイドが介在するリコネクションについて初めて報告がなされた［４１］．以下において，核融合プラズマを用いたプラズモイドリコネクション実験とシミュレーショ
ン結果について解説する．
３．
１ CHI と磁気リコネクション
既に述べた様に，スフェロマックや ST の電流駆動とし

図４て CHI 実験が実施されている．図５に磁化プラズマガンを左図（A）プラズマライナー（PLX）実験，球状容器に設置された３０台の小型プラズマガンによるプラズマジェット入射により中心で衝突圧縮する．右図（B）は右上下方向から斜めに入射された超音速フローが衝突作用でショック境界が発生し縦方向に圧縮している．
（参考文献［２０］Fig. 1 及び［３５］Fig. 4 から転載）

使った CHI 方式によるプラズマ生成の模式図を示す．下部の電極間内でのガス電離により生成されたプラズマがローレンツ力で上部のフラックスコンサーバー領域に噴出し，その過程で両電極に鎖交するバイアス磁束を横切ることで
５６６

Commentary

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トロイダル電場が誘起され，ガン出口付近でのリコネク裂する．それにより，２）複数のプラズモイド（磁気島）がションを介してトーラスプラズマが形成される．中心対称生成され，その数は $に比例して増加する．さらに，３）リ

軸上に導体を挿入し，その内に軸方向電流を流すことでトコネクション率は $"$!!!を超えると $に依存しなくな

ロイダル磁場を外部から印加し，スフェロマックから STり，ほぼ一定となる．なお，この計算では電流シート幅がへと磁場配位を発展させることができる．実験の観点から狭くなると効いてくる２流体や運動論的効果は考慮されては，トロイダル磁場の導入でプラズマ生成の軸対称性が格いない．

段に良くなり，ミクロには３次元的な磁場揺動をもつ現象

図７は高 $（$"$'!!!）でのシミュレーション結果であに対してもマクロには軸対称性を仮定して取扱うことが可る．同図（a）の ("9.044 ms におけるトロイダル電流密度分能となる．CHI 方式では，"!!誘導トロイダル電流によっ布をみると，電流シートが長く伸びていることがわかりて引き伸ばされたバイアスポロイダル磁束が閉じるリコネ（シート長 ""2.5−3 m，"!
"#&!，ここで δ はシート幅），クション現象，つまり X ポイントの形成がプラズマ閉じ込

ティアリングモードが不安定な状態になっている．同時刻

めのために要請される．しかし，プラズマが高温になり磁の同図（c）の磁力線のポアンカレプロットをみると，小さ気レイノズル数 #*（ランキスト数 $）が増大すると，リコ

いスケールのプラズモイドが複数個発生していることがわ

ネクション速度が遅くなる．さらに電流シート内に強いトの同図（b）（d）では，電流かる．その後，時刻（("9.174 ms）

ロイダル磁場があるとリコネクション率が低下する傾向にシートはさらに長く伸びており，変形しているようにみえあることから，電流の立ち上げの短時間内に X ポイントのる．小さいプラズモイドが合体することでリコネクション形成が困難になることが指摘されている．

が進み，その結果，図中矢印で示された３つの新しいプラ

図６は磁化プラズマにおけるリコネクションの相関図でズモイドが出現している．さらに時間が経過すると，これある［４２］．横軸 $はイオンのジャイロ半径 &)（またはイオ
ンスキン長 ')）に対する装置スケール（$""!
&)，ここで，"はプラズマサイズまたは電流シート長）で，縦軸 $は磁気レイノズル数またはランキスト数（ $"%!"%!!
#，ここで，%! はアルヴェン速度，#はプラズマ抵抗）．横軸の装置
サイズが相対的に大きくなり，縦軸の $値も大きくなると，電流シートが層流的から乱流的（フラクタル）シート
構造へ遷移し，無衝突および衝突マルチ X ライン（プラズモイド）リコネクションが観測される領域に入る．理論計
算から，その閾値が $( ""!%であることが予測されている［４３］．プラズモイド不安定性によってリコネクションが加速される場合，小スケールから大スケールへ発展しながら，大域的に大きなエネルギーが解放され，リコネクションは多様なプラズモイド噴出現象を伴った非定常な現象として発現する．これまで地球磁気圏や太陽フレアにおいてプラズモイド形成は数多く観測され，リコネクション率とランキスト数 $との関係が調べられている．S-P モデルで

図５

同軸ヘリシティ入射の概念図．

はリコネクション時間は $"!#に比例して大きくなるが，プ
ラズモイドリコネクションの場合，この閾値を越えると $値に依存しなくなることが理論およびシミュレーションで示されている．高 $領域において $に依存しない高速プラ
ズモイドリコネクションのスケーリング則が実証できれば，リコネクション加熱も期待できる CHI が将来の高ベー
タ核融合炉においても有用となる．
３．
２ NSTX 装置におけるプラズモイドリコネクションのシミュレーション
プリンストン大学プラズマ物理研究所（PPPL）の球状
トーラスNSTX装置（大半径#"0.86 m，小半径&"0.65 m）に於けるCHI実験［５］を対象に抵抗性MHDシミュレーショ
ン研究が実施され，ティアリング不安定性に起因する自発的なリコネクションはプラズモイド不安定性により高速化されることが検証された［４１］．CHI が駆動するプラズモイ
ドリコネクションの特徴は以下のとおりである．１）
長く
図６伸びた S-P 型の電流シートがティアリング不安定となり分５６７

リコネクションの相関図（参考文献［４１］Fig. 1 から転載）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.12 December 2017

図８

プラズモイドリコネクションのシミュレーション結果，（a）
プラズモイド数vsランキスト数S（b）
リコネクション率vs ランキスト数 S （参考文献［４３］Fig. 3 から転載）
．

（a）
図７

NSTX-CHI 実験のシミュレーション結果，（a）（b）
ポロイダ
ル断面でのトロイダル電流密度の等高線図，（c）（d）
磁力線のポアンカレプロット，（e）（f）
大きなスケールのプラズモ
イドの成長過程におけるポアンカレプロット（参考文献［４３］
Fig. 2 から転載）．

%!
ら の プ ラ ズ モ イ ド は 装 置 内 全 体 に ダ ブ レ ッ ト（（e）%!10.2 ms）の 磁 気 島（磁 気9.645 ms）と シ ン グ ル（（f）
面）として大きく成長する．NSTX 実験では高速カメライ
メージ計測の結果から，このダブレット配位の形成が確認されている．
図８はシミュレーション結果から算出されたプラズモイ
ドの数とリコネクション時間 %&$#の逆数の #の依存性を示!!
"したものである．S-P モデルでは，%&$#は # に比例して長くなるが，この計算結果はプラズモイドの形成によって高#領域において%&$#が一定となることを示している．この高#でリコネクション率が一定となる傾向は，N.F. Loureiroが示した結果（参 考 文 献［４４］の Fig. 2）と 一 致 し ている［４４］．
また，現在アップグレード中の NSTX-U 装置では電極と

図９鎖交するバイアス磁場の footprint 幅が狭くなるように改良されており，そのためリコネクションするポロイダル磁場が強くなり（#値＝29000 と大きくなる），さらに，リコ

3D シミュレーションのトロイダル電流密度の等高線図（a），プラズモイド形成について，2D コード（b）と 3D コード（c）
から計算されたポアンカレプロット図を比較したもの（参考文献［４５］Fig. 4 から転載）．

ネクションは駆動的（Forced）な様相となって起きやすく

ションが早く進むと理解されている．

なる．その結果，プラズモイドリコネクションは強いダイ

３．
３ HIST 装置におけるプラズモイドリコネクション実験

ナモがある入射過程でも観測されるようになる．ダイナモ

兵 庫 県 立 大 の 球 状 ト ー ラ ス HIST 装 置（"!0.3 m，による磁束増幅が起きる場合，３次元的な磁力線の変化を$!0.24 m）では，磁化同軸プラズマガンを使った CHI 実験

調べる必要がある．図９（b）（c）は２次元と３次元コードでを実施している．プラズマ内部の磁場構造は図１０中の２次計算された結果を比較したものである［４５］．２次元の計算

元内部磁気プローブアレイを用いて計測している．同図下

では磁力線はすべてオープンになっており，プラズモイド（a）（b）にトロイダル電流密度 !
'とポロイダル磁束 "%の等の発生はみられないが，３次元では少なくとも５つ発生し高線の時間発展を示す［４６］．ガン電極と鎖交するバイアスている．ダイナモは拡散領域内において局所的な #値を増

ポロイダル磁束の大きさを変えることで，プラズマの噴出大させ，プラズモイド生成が加速されることでリコネク速度を制御している．同図（a）の低バイアス磁束の場合，入５６８

Commentary

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M. Nagata and T. Kanki

射過程（'!0.17 ms）において，周辺のオープン磁束領域

後減衰過程に入ると，'"0.305，0.340 ms の時刻において，（Open Flux Column : OFC）でキンク不安定性が発生し，磁ガンの出口付近の位置（&"0.4 m，$"0.2 m）に X ポイン

場配位が壊れるが，減衰過程に入ると軸対称な磁場配位にトが現れ，システム全体に閉じた磁束（磁気面）が形成さ'"0.305，0.340 ms）
緩和する（図（a）．同図（b）の高バイア

れている．
図１１
（a）は プ ラ ズ モ イ ド が 存 在 す る 付 近（$"0.3 m，ス磁束の場合，入射過程で不安定性にならずそのまま減衰過程に移り，全ポロイダル磁束の約３０％の閉じた磁束量を$"0.35 m）で測定した反平行方向の二つのリコネクショ

もつ磁気面が形成される．ここで，図の入射過程において，ン磁場 !'の波形である．磁場波形の振動的揺動に同期しポロイダル磁束中に長く伸びた薄い電流シート（幅 $〜て，イオン飽和電流（電子密度）（同図（b））波形も振動を

0.05 m，長さ #〜1 m）が形成されていることに着目した示している．また，この周期的な事象に同期して強いリコ

い．この S-P 的な #"$の大きい電流シートの形成はシミュネクション電場 "&"!$#%"（同図（c）
）の発生が
"
%$%
$'
#
$

レーション結果と酷似している．この電流シートの中の電みられる．これらの揺動はリコネクションが介在したミニ

子密度は十分高く，シート形状はティアリング不安定性に

プラズモイドの合体と分裂のダイナミクスを示しており，

よっていくつかに分裂しているようにみえる．さらに，シ

電流シート内を乱流的状態にしていると考えられ，プラズ

ミュレーション結果と同様に，その伸びた電流シート上にモイドリコネクションの様相を示している．

２，３個の小さいスケールのプラズモイド（３次元的には（ポロイダル磁場!%"0.01 T）
この実験の%値は%#"!!!

軸対称なプラズマリング形状）が形成されていることがわであり，理論的に予測されている閾値１０４よりも小さい．こかる．この等高線図の時間発展を細かくみてみると，隣りれはシミュレーションでも示されたように，背景にあるダ

合う二つのミニプラズモイド（同方向の電流ループ）は互

イナモが影響しているものと考えられる．また，トロイダ

いに引き合い（合体）また分裂（放出）を周期的に繰り返ル（ガイド）磁場（本実験では !&"0.07 T と強い）の効果

している様相がみられる（振動的リコネクション）．そのが考えられる．強いトロイダル磁場のリコネクション率への影響はまだ十分理解されていないが，リコネクションによってトロイダル方向の磁力線に沿って電子が加速される
ためリコネクション率が低下することが示唆されている．
また，強いトロイダル磁場があると，電流シートが長くな
り，実効的に %値が大きくなると考えられる．

４．磁化プラズマガンが創る２流体緩和平衡配位
本節では磁化同軸プラズマガンを用いた CHI による STの電流駆動過程で形成される流れのある２流体平衡配位の特性について概観したい．近年，高ベータ閉じ込めと定常

図１
１ プラズモイドが存在する付近での（a）
反平行の二つのポロ
イダル磁場 Bz，（b）
イオン飽和電流（電子密度）と（c）
リコ
ネクション電場 Et の時間変化［４６］．

図１０ 上図は HIST装置の計測システム，下図はトロイダル電流密度とポロイダル磁束の等高線図を低バイアス（a）
と高バイ
アス（b）
の場合で比較したもの［４
６］
．

５６９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.12 December 2017化を両立させる方策として，再磁束注入（再ヘリシティ入に示すように電流と同方向のトロイダル・イオン流速が増射）法と呼ばれるマルチ・パルス CHI 入射（M-CHI）法が大する．このイオン流速（イオンの運動エネルギー）の増提案されている．これは，ダイナモによる磁気面の乱れに大は一般化されたベルヌーイの式から図１２（b）に示すようよって生じる閉じ込めの劣化を許容する磁束注入（電流駆に CF 領域での密度（エンタルピー）を減少させ，高トロイ動）過程と，高閉じ込めモードを保持するプラズマ減衰過ダル磁場側のセパラトリクス付近で負の密度勾配を引き起程を間欠的に繰り返すことで準定常運転を行う方法であこすことがわかった．このときそのセパラトリクス付近でり，スフェロマック実験に取り入れられ，閉じ込め性能の正のイオン温度勾配は若干増大するが，負の密度勾配の強改善と準定常維持の両立が実証されている．最近，その結化が優勢となり，イオンの圧力勾配も負に強化される．

果を踏まえ，M-CHI 法を HIST 装置に適用し，その有用性

図１３（左図）はミッドプレーンでのポロイダル方向のドリが調べられ て い る［４７］．HIST で の ダ ブ ル・パ ルス CHI

フト速度の径方向分布の変化を示している．負のイオン圧実験では，最大 80 kA 程度のトロイダル電流の生成と抵抗

力 勾 配 の 強 化 に 起 因 し て，そ の セ パ ラ ト リ ク ス 付 近減衰に対して 5 ms 程度の伸長したプラズマ寿命の実験結（$%0.14 m）で "#!ドリフト速度と同方向にイオン反磁果が得られている．また，磁場揺動と速度場揺動の相互作性ドリフト速度が増大し，図１２（d）に示すように電流と同用（ダイナモ電場生成）や中心オープン磁束コラム（OFC）

方向のポロイダル・イオン流速が増大する．その結果，そ領域から閉じた磁束（CF）領域へのヘリシティ輸送によるのセパラトリクス付近でシアが強化されることがわかった．

磁束増幅及び電流増幅が観測されている．特に高トロイダ

一般化されたオームの法則 ""'$#!"### %!の各
!
"(
"

20

−3

程度と高

項の径方向成分の変化から２流体効果について考える．こ密度であり，通常のトカマクでは見られない急峻な負の密こで，"，"，$，!，### は，それぞれ電場，２流体パラメー

度勾配や反磁性トロイダル磁場が形成され，それに伴うイ

タ，イオン流速，磁場，２流体効果を表す．また，２流体

ル磁場側の OFC 領域で電子密度が 1.5×10 m

オン反磁性ドリフトによるポロイダル・シアフローとホー&と 慣 性 効 果
効 果 ### は イ オ ン の 反 磁 性 効 果 !&'%!

ル・ダイナモ電場が観測されている．また，ガン電圧が再!$$&$を生じる項で構成され，計算では全領域に渡って印加されると，高トロイダル磁場側のセパラトリクス付近

イオンの反磁性効果が支配的である．図１３（右図）に示す

でのポロイダルフローの増大によるフロー・シアの強化，ように高トロイダル磁場側のセパラトリクス付近での ###

密度勾配の急峻化，径電場シアの強化が観測されているは負のイオン圧力勾配の強化に起因して増大し，２流体効［４７］．

果は無視できないことがわかった．一方，径電場 "(分布はこのような実験的背景から流れのある２流体 ST 平衡配CF 領域のトロイダル・イオン流速 *)の増大によりロー位が数値的に決定され，磁場構造やフロー構造が調べられレンツ力 '!
"(*)!+の分布が大きく変化し，"(シアが強化"ている［４８］．特にガン電圧が再印加されことによって生じされることがわかった．

る OFC 領域でのポロイダル電子流速の増大が平衡をどの

OFC 領域に反磁性トロイダル磁場が形成されているこように遷移させるかが調べられている．電子流体に対するとから，２流体平衡の観点からポロイダル流速（流れ関数

２流体平衡方程式から CF 領域でトロイダル方向の電子ドの構造）とトロイダル磁場の磁性の関係について考える

リフト速度と Hall 効果が増大することによって，図１２（c）［４９］．アンペール法則のポロイダル成分から２流体軸対称

図１２ OFC 領域でのポロイダル電子流速の大きさを Case I，Case II，Case III と増大させた場合のミッドプレーンにおけるトロイダル磁場（a），密度（b），トロイダル・イオン流速（c），ポロイダル・イオン流速（d）の径方向分布．

５７０

Commentary

The World of Various Plasmoids Created by Magnetized Plasma Gun

M. Nagata and T. Kanki

図１
３ OFC 領域でのポロイダル電子流速の大きさを Case I，Case II，Case III と増大させた場合のミッドプレーンにおけるポロイダル方向のドリフト速度の（左図）と一般化されたオームの法則の各項（径方向成分）（右図）の径方向分布．

平衡のトロイダル磁場 !%は%!%# #!" "$
%$
"%
%%
!%#$
%
# $
# $

エネルギー密度プラズモイド，磁気リコネクションと２流
体緩和を取り上げ，いくつかの具体例を示して解説した．
（１）

磁化プラズマガンは，自然界に普遍的に存在する様々な形
態のプラズモイドを比較的容易に生成でき，多くの興味深で表される．ここで，%#!，%$，%#は，それぞれ真空トロイいプラズマ物理テーマを提供してくれる．磁化プラズモイ

ダル磁場に関するポロイダル電子流速に対する流れ関数，

ドを移送衝突圧縮する技術はさらにインパクトのある応用

ポロイダル・イオン流速に対する流れ関数，ポロイダル電

範囲の拡大の可能性を秘めている．この技術の革新的なパ子流速に対する流れ関数である．式（１）は %#"!，%$!!

ルス核融合炉への応用は極めて魅力的ではあるが，実現への場合と %#!!，%$"!の場合，!$に対してそれぞれ反磁の道のりはそう簡単なものではない．まだまだ多くの未検性と常磁性に寄与していることを示している．計算結果か証の課題に取り組む必要があり，今後未知なる物理現象がら OFC 領域では %#"!，%$!!で，イオンと電子の流速が現れる可能性もある．核融合閉じ込め研究は高 #で定常化

反磁性に寄与し，CF 領域では %#!!，%$!!で，電子流速を志向している中で，コンデンサー電源でパルス的に大電が常磁性に，イオン流速が反磁性に寄与している．OFC

流を流す実験は時代遅れとの見方もある．しかし，国内外領域でのポロイダル電子流速の増大に伴って，CF 領域でを問わず予算が乏しい大学の研究室にとって，昔からのコは %#が減少し %$に近づき，トロイダル磁場が反磁性から

ンデンサー電源の財産を如何に活かすかが知恵の見せ所で常磁性に近づく．一方，OFC 領域では%#はほぼ正のままである．ここで紹介したいくつかの実験装置もその代表的なあり，反磁性トロイダル磁場が維持される（図１２（a））．

活用例である．学生たちが社会と人類に貢献できる核融合にいつまでも魅力を感じ，実験を通じて感動を味わえるよ

５．まとめ

うな教育と人材育成に磁化プラズマガンはきっと役立つも磁化プラズマガンは核融合から天体宇宙までの幅広い分のと信じて止まない．

野において多彩なプラズモイドの世界を繰り広げている．
本稿では，これらの分野を横断するキーワードとして，高
５７１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.12 December 2017［３０］前川 孝，永田正義：プラズマ・核融合学会誌 88, 724(2013).
［３１］G.A. Wurden et al., J. Plasma Fusion Res., SERIES 2, 238(1999).
［３２］M.R. Gomez et al., Phys. Rev. Lett. 113, 155003 (2014).
［３３］Details in General Fusion website at http://generalfusion.com/ また，日経サイエンス「核融合ベンチャーの勝算」，３月号 p７
０（２
０
１
７）
．
［３
４］M. Laberge et al., EPR 2017 conference, Vancouver, Canada, August 1-4 (2017).
［３５］E.C. Merritt et al., Phys. Plasmas 21, 055703 (2014).
［３６］R. Numata and N. F. Loureiro, J. Plasma Phys. 81,
305810201 (2015).
［３７］Y. Ono et al., Phys. Plasmas 22, 055708 (2015).
［３８］P.K. Browning et al., Plasma Phys. Control Fusion 56,
064009 (2014).
［３９］井 通暁，西塚直人：プラズマ・核融合学会誌 89, 769(2013). 西塚直人：同 89, 796 (2013).
［４０］A. Bhattacharjee et al., Phys. Plasmas 16, 112102 (2009).
［４１］F. Ebrahimi and R. Raman, Phys. Rev. Lett. 114, 205003(2015).
［４２］H. Ji and W. Daughton, Phys. Plasmas 18, 111207 (2011).
３］N.F. Loureiro, A.A. Schekochihin and S.C. Cowley, Phys.
［４
Plasmas 14, 100703 (2007).
［４４］N.F. Loureiro et al., Phys. Plasmas 19, 042303 (2012).
［４５］F. Ebrahimi, Phys. Plasmas 23, 120705 (2016).
［４６］M. Nagata et al., 26th IAEA Fusion Energy Conference,
Kyoto, October 17-22, EX/P5-21 (2016).
［４７］M. Nagata et al., 24th IAEA Fusion Energy Conference,
San Diego, USA, October 8-13, ICC/1-1Rb (2012).
［４８］T. Kanki and M. Nagata, 42nd EPS Conference on Plasma
Physics, Lisbon, Portugal, June 22-26, P4.181 (2015).
［４９］T. Kanki and M. Nagata, 58th Annual Meeting of the APS
Division of Plasma Physics, San Jose, USA, Oct. 31-Nov.
4, NP10 63 (2016).

参考文献［１］https://arpa-e.energy.gov/［２］R.C. Kirkpatrick et al., Fusion Technology 27, 201 (1995).
［３］H. Alfven et al., J. Nucl. Energy (part C) 1, 116 (1959).
［４］P.M. Bellan, Spheromaks (Imperical College Press, London,
2000).
［５］R. Raman et al., Phys. Rev. Lett. 97, 175002 (2006).
［６］M. Nagata et al., Phys. Rev. Lett. 90, 225001 (2003).
［７］B.A. Nelson et al., Phys. Rev. Lett. 72, 3666 (1994).
［８］H.S. McLean et al., Phys. Rev. Lett. 88,125004 (2002).
［９］K. Kuroda et al., Plasma Fusion Res. 12, 1202020 (2016).
［１０］F. Alladio et al., Nucl. Fusion 46, S613 (2006).
［１１］D.J. Battaglia et al., Phys. Rev. Lett. 102, 225003 (2009).
［１２］N. Fukumoto et al., 26th IAEA Fusion Energy Conference, Kyoto, October 17-22, PDP-16 (2016).
［１３］R.D. Horton et al., Nucl. Fusion 48, 95002 (2008).
［１４］T. Onchi et al., IEEE Trans. Plasama Sci. 44, 195 (2016).
［１５］T. Asai et al., Nucl. Fusion 57, 076018 (2017).
［１６］I.N. Bogatu et al., J. Fusion Energy 27, 6 (2008).
［１７］M.W. Binderbauer et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045093(2010).
［１８］M. Laberge, J. Fusion Energy 27, 65 (2008).
［１９］U. Shumlak et al., Phys. Plasmas 24, 055702 (2017).
［２０］S. C. Hsu et al., Phys. Plasmas 19, 123514 (2012).
［２１］M. Kaur et al., EPR 2017 conference, Vancouver, Canada,
August1-4 (2017).
［２２］J. Miyazawa et al., Fusion Eng. Des. 54, 1 (2001).
［２３］Y. Kikuchi et al., J. Nucl. Mater. 438, S715 (2013).
［２４］S. Kajita et al., J. Nucl. Mater. 438, S707 (2013).
［２５］A.L. Moser and P.M. Bellan, Nature 482, 379 (2012).
［２６］T. Gray, M.R. Brown and D. Dandurand, Phys. Rev. Lett.
110, 085002 (2013).
［２７］宇山忠男，永田正義：プラズマ・核融合学会誌 74, 200(1998).
［２８］永田正義：プラズマ・核融合学会誌 83, 491 (2007).
［２９］永田正義：プラズマ・核融合学会誌 84, 760 (2008).

よし永 田 正 義兵庫県立大学大学院工学研究科教授，大阪大学大学院博士課程単位取得退学後，学振奨励研究員，１
９
８
６年姫路工業大学助手，助教授を経て，２０
０
４年より現職．大阪堺 市（昔は南河内郡）生まれ．姫路を愛し，東京に憧れつつも大阪の個性を活かしたい．専門はスフェロマックから球状トーラ
スにおける MHD 緩和等のプラズマ基礎研究とその核融合への応用．最近は EV 等の省エネインバータ駆動モータの部分
放電と絶縁評価技術の開発を企業と連携で実施中．２
０
０
７年プ
ラ核年会姫路開催後ちょうど１０年目にあたる今年のプラコ
ン，平成の大改修により白く美しくなった姫路城はいかがでしたか？

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まさ

かん

き

たか

し

神 吉 隆 司海上保安大学校海事工学講座教授．１
９９７年
姫路工業大学大学院博士課程修了．博士（工学）．大阪大学講師（研究機関研究員），
海上保安大学校講師，准教授を経て，２０
１０
年より現職．２
０
１
５年より政策研究大学院大学連携教授を併任．主な研究分野は，プラズマ理工学，数値解析学．特にヘリシティ駆動系における球状トーラスの２流体平衡や MHD
シミュレーションに関する研究に取り組んでいる．最近，息子とのキャッチボールを楽しんでいる．

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