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平成29年8月23日
磁気島の発生メカニズムをシミュレーションで探る
 -大きな変形が新たな不安定性を引き起こす-
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
 

 天気予報で「大気の状態が不安定で…」と良く耳にしますが、高温のプラズマも「不安定」になることがあります。プラズマが不安定になると、プラズマを閉じ込めるための磁場でできた入れ子状のカゴが変形してしまう場合があります。変形の結果、「磁気島」と呼ばれる構造ができると、プラズマの閉じ込めにとっては好ましくありません。理想的な磁場のカゴの断面は木の年輪のように同心円状ですが、磁気島は木目にできる節のような形状をしています。そこでは、内側のカゴと外側のカゴが繋がってしまったことになるため、内側の高い圧力のプラズマは、外側へ早く逃げてしまうことになるのです。磁気島の発生機構を解明することは重要な課題ですが、今回は、その機構を計算機シミュレーションで探る研究を紹介します。
 プラズマが不安定になる(これを不安定性と呼びます)原因には様々なものがあります。その原因の一つが、プラズマの圧力差です。磁場で閉じ込められたプラズマの圧力は中心で高く外側で低くなっていますが、この圧力差が大きくなると、その差を小さくしようとして、圧力の高いところと低いところを混ぜるような、プラズマの流れが発生します。この流れはプラズマや磁場のカゴを変形させますが、磁気島の形成にはつながらないと考えられています。しかしながら、大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマ実験では、圧力差があり不安定性が発生しても磁気島を作らないはずの時に、磁気島の存在が示唆されている結果がみられる場合があります。そこで、圧力差による不安定性と磁気島発生との関係を、スーパーコンピュータを使ったシミュレーションにより調べてみました。その結果、磁気島の新たな発生メカニズムを発見しました。
 シミュレーションでは、ある状態に非常に小さな乱れを加えて、その後のプラズマの変化を調べます。ここで、プラズマではない、普通の流体で見られる不安定性の例として、軽い流体の上に重い流体が乗っている場合(例えば、油が下にあり、水が上にある場合など)を考えてみましょう。この状態にわずかな乱れを加えると、重力により、上にある重い液体は下へ、下にある軽い液体は上へ行こうとして流れが発生し、最初の状態からどんどんずれていくことになります。このような場合と同様に、プラズマの圧力差が大きいと、流れが成長し、乱れがどんどん大きくなってプラズマと磁場のカゴが大きく変形します。この際、流れによって、圧力の大きいところと小さいところが混ぜられるため、不安定性の原因である圧力差が小さくなっていきます。そのため、あるところで、流れの成長は止まります。さて、この状態でプラズマはもう変化しないのでしょうか?実は、この後、別の新たな不安定性が発生して、新たな流れが成長を始めることが分かりました。この新たな流れは、圧力差によって生じる流れとは特徴が大きく異なり、磁気島の形成につながるものでした。そして、最終的に大きな磁気島ができました。この磁気島を作る流れは、プラズマの変形がない状態では成長しません。圧力差による不安定性でプラズマの大きな変形が起きることで、初めて成長を始めます。つまり、プラズマの大きな変形が原因になって、新たな不安定性が発生したのです。このような現象は、専門的には、変調不安定性と呼ばれています。
 このように、不安定性によるプラズマの大きな変形が、さらに別の不安定性を引き起こして磁気島を作り出していることを発見しました。このような現象はシミュレーションを行って初めて分かるものです。今後、シミュレーション結果と実験結果との比較を行うことで、新たに発見された磁気島発生メカニズムが、実際に実験で観測されるかを検証していきます。

以上

図1 プラズマ断面の模式図

 図1 プラズマ断面の模式図。(a)磁場でできた入れ子状のカゴでプラズマを閉じ込めます。ここでは、色のついたリング状の部分に注目し、それを(A,D)と(B,C)の間に切れ込みを入れ(b)、引き伸ばし(c)、曲がりをなくした状態(d)で示します。(e)は圧力差で生じるプラズマの流れの様子です。中心のピンクの点線の両側で、流れの向き(緑の矢印)は同じです。(f)磁気島が形成される時のプラズマの流れで、中心のピンクの点線を境に、流れの向きが逆転します。

図2 シミュレーション結果

 図2 シミュレーション結果。不安定性によって生じたプラズマの流れの強さの時間変化です。圧力差による流れ(赤線)の成長が止まった後、新たな不安定性(変調不安定性)によって磁気島を作る流れ(青線)がゆっくり成長しています。最終的には、大きな磁気島が形成されました。