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平成25年1月7日

プラズマが自ら回転する! ―自発回転するプラズマの性質を調べる―

 

 

  大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
 

核融合科学研究所

 大型ヘリカル装置(LHD)では、ドーナツ状の磁力線のカゴの中に高温・高密度のプラズマを閉じ込める研究を行っています。ドーナツ状に閉じ込められたプラズマを上から見ると、プラズマの状態によって、時計回り、あるいは反時計回りにプラズマが回転することがあります。今回は、このプラズマが「自ら勝手に回転する!」性質についての研究を紹介します。

 プラズマは、原子核(イオン)と電子がバラバラになって真空中を飛び交っているので、粒子の振る舞いとしての性質が調べられていますが、一方で、水や空気と同じように、粒子が集まって流れる「流体」としてプラズマを扱うことができます。そこで、プラズマを流体として観測すると、ドーナツの太さ周りの方向に沿って回転する流れや、ドーナツの円周方向に沿って回転する流れが観測され、そうしたプラズマの回転がプラズマの性質に影響を与えることがわかってきました。例えば、高い圧力のプラズマに対して、ドーナツの円周方向にプラズマが回転すると、プラズマを閉じ込める磁場の働きを助けることがわかっています。また、プラズマを閉じ込める磁力線のカゴの一部が歪むと「磁気島」と呼ばれる状態が現れ、プラズマの閉じ込め性能を劣化させることがありますが、この磁気島もドーナツの太さ周りの方向にプラズマが回転すると消えてしまうことが最近の研究でわかってきました。このように、プラズマ自身の回転はプラズマの性質に大きな影響を及ぼすため、プラズマの回転とプラズマの性質の関係は、現在、とても重要な研究課題となっています。
 さて、プラズマをドーナツの円周方向に回転させる方法として、外部から粒子ビームを入射して、プラズマに回転力を加える方法があります。ちょうど水鉄砲で洗面器の水に流れを起こすようなイメージです。LHDでは、ドーナツ状のプラズマを上から見て、時計回りに1本、反時計回りに2本の粒子ビーム入射装置があり、これらによってプラズマを回転させる実験を行っています。
 ところが、このように外部から回転させる力を加えなくても、プラズマが「自ら勝手に!」時計回りや反時計回りに回転することが発見されました。こうしたプラズマが自ら回転する現象を「自発回転」と呼んでいます。そこで、LHDにおいて様々なプラズマパラメータでこの自発回転を調べたところ、プラズマ中のイオンが他の粒子と衝突する頻度に依存して、自発回転の向きが変化することがわかりました。磁場の向きにも依りますが、低い衝突頻度つまり高温で低密度のプラズマでは時計回りに、高い衝突頻度つまり低温で高密度のプラズマでは反時計回りに回転するのです。
 このようなプラズマの自発回転とプラズマの性質の関係を調べて、将来の核融合発電におけるプラズマ性能を予測する研究を進めています。また、プラズマの回転は、太陽内部や夜空に輝く渦巻銀河、そして、ブラックホールの周りのプラズマなどでも観測されているため、国立天文台と共同研究でLHDにおけるプラズマ回転の実験結果について議論して、宇宙プラズマと共通する性質についても調べています。


以上