テイラー州

プラズマ物理学において、テイラー状態とは、プラズマが磁束を保存しているときのエネルギー最小状態である。^[¹^]これは1974年にジョン・ブライアン・テイラーによって初めて提唱され、彼はZETA装置のデータを用いてこの主張を裏付けた。^[²^]

テイラー状態は、ダイノマックと逆磁場ピンチの両方の動作に重要です。両方ともテイラー状態で実行されます。

例

1974年、ジョン・B・テイラー博士は、ループプラズマに磁束を誘導することでスフェロマックを形成できると提唱しました。するとプラズマは自然に緩和し、テイラー状態としても知られるスフェロマック状態になります。 ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} このプロセスは、プラズマが以下の条件を満たしている場合に機能します。

全磁束を保存した
総エネルギーを最小化

これらの主張は、後に1979年にマーシャル・ローゼンブルースによって検証されました。^{[ 5 ]} 1974年当時、テイラー博士はこれらの主張を裏付けるためにゼータピンチ装置の結果しか用いることができませんでした。しかし、それ以降、テイラー状態は以下のような複数の装置で形成されています。

ロスアラモスにおけるコンパクト・トーラス実験（CTX）。CTXは1979年から1987年にかけてロスアラモスで運転された。電子温度は460万ケルビン^{[ 6 ]}に達し、動作時間は3マイクロ秒^{[ 7 ]}、プラズマと磁気の圧力比は0.2であった^{[ 8 ] 。}
リバモア研究所の持続スフェロマック物理実験（SSPX）は、CTXの改良版であり、テイラー状態に至る緩和過程の測定に使用されました。SSPXは1999年から2007年までリバモア研究所で稼働していました。^{[ 9 ]}
カリフォルニア工科大学スフェロマック実験は、カリフォルニア工科大学のポール・ベランズ博士の研究室で 2000 年から 2010 年にかけて実行された小規模な実験です。
ワシントン大学のヘリシティ注入トーラス定常誘導装置（HIT-SI）は、2004年から2012年までジャーボー博士によって運用され、ダイノマックの前身となりました。この装置は、数マイクロ秒（2マイクロ秒未満）にわたって90キロアンペアの安定したプラズマ電流を発生させました。^{[ 10 ]}また、この装置は2011年に強制ダイナモ電流駆動（IDCD）の初実証も行いました。^{[ 11 ]} IDCDの画期的な進歩により、ジャーボー博士のグループは、この装置の初の原子炉規模のバージョンであるダイノマックを構想することができました。

導出

熱エネルギーが無視できるプラズマ( )を囲む、閉じた、単連結の、磁束保存の、完全伝導面を考えます。 $S$ $\beta \rightarrow 0$

以来、。これはを意味します。 ${\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0$ $S$ ${\vec {A}}_{||}=0$

上で議論したように、プラズマは磁気ヘリシティを保存しながら、最小エネルギー状態に向かって緩和する。境界は完全伝導性であるため、関連する磁束は変化しない。これは、およびが成り立つことを意味する。 $\delta {\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0$ $\delta {\vec {A}}_{||}=0$ $S$

磁気ヘリシティを保存しながらプラズマエネルギーを最小化する変分問題を定式化します。 $W=\int d^{3}rB^{2}/2\mu _{\circ}$ $K=\int d^{3}r{\vec {A}}\cdot {\vec {B}}$

変分問題はです。 $\delta W-\lambda \delta K=0$

いくつかの代数計算の後、最小エネルギー状態に対する次の制約が導かれます。 $\nabla \times {\vec {B}}=\lambda {\vec {B}}$

参考文献

^ポール・M・ベラン (2000). 『スフェロマック：磁気流体力学ダイナモとプラズマ自己組織化の実用的応用』インペリアル・カレッジ・プレス. pp. 71– 79. ISBN 978-1-86094-141-2。
^テイラー、J. ブライアン. 「トロイダルプラズマの緩和と逆磁場の生成」Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
^ベラン、ポール (2000). スフェロマックス. インペリアル・カレッジ・プレス. ISBN 978-1-86094-141-2.
^テイラー、J. ブライアン. 「トロイダルプラズマの緩和と逆磁場の生成」Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
^ Rosenbluth, MN, MN Bussac. 「スフェロマクのMHD安定性」 Nuclear Fusion 19.4 (1979): 489
^ JARBOE, TR, WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., MARKLIN, GJ, 物理流体B 2 (1990) 1342-1346
^「1990年代までの物理学」、全米科学アカデミー出版、1986年、198ページ。
^ WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., JARBOE, TR, MARKLIN, GJ, 物理学改訂レター 21 (1988) 2457-2460
^ Wood, RD, et al. 「持続スフェロマック物理実験における粒子制御」Journal of Nuclear Materials 290 (2001): 513-517.
^ Sieck, PE, et al. 「HIT-SI Spheromakによる最初のプラズマ実験結果」APSプラズマ物理部門会議抄録第45巻、2003年。
^ Sutherland, DA, et al. 「ダイノマック：強制ダイナモ電流駆動と次世代原子力技術を備えた先進的な核融合炉のコンセプト」

[1] ポール・M・ベラン (2000). 『スフェロマック：磁気流体力学ダイナモとプラズマ自己組織化の実用的応用』インペリアル・カレッジ・プレス. pp. 71– 79. ISBN 978-1-86094-141-2。

[2] テイラー、J. ブライアン. 「トロイダルプラズマの緩和と逆磁場の生成」Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.

[3] ベラン、ポール (2000). スフェロマックス. インペリアル・カレッジ・プレス. ISBN 978-1-86094-141-2.

[4] テイラー、J. ブライアン. 「トロイダルプラズマの緩和と逆磁場の生成」Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.

[5] Rosenbluth, MN, MN Bussac. 「スフェロマクのMHD安定性」 Nuclear Fusion 19.4 (1979): 489

[6] JARBOE, TR, WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., MARKLIN, GJ, 物理流体B 2 (1990) 1342-1346

[7] 「1990年代までの物理学」、全米科学アカデミー出版、1986年、198ページ。

[8] WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., JARBOE, TR, MARKLIN, GJ, 物理学改訂レター 21 (1988) 2457-2460

[9] Wood, RD, et al. 「持続スフェロマック物理実験における粒子制御」Journal of Nuclear Materials 290 (2001): 513-517.

[10] Sieck, PE, et al. 「HIT-SI Spheromakによる最初のプラズマ実験結果」APSプラズマ物理部門会議抄録第45巻、2003年。

[11] Sutherland, DA, et al. 「ダイノマック：強制ダイナモ電流駆動と次世代原子力技術を備えた先進的な核融合炉のコンセプト」

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