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Fundamentals of Plasma Physics and Controlled Fusion

Marco Brambilla1998年被引用 2Nuclear FusionIF 3出版社

Professor Kenro Miyamoto, already well known for his textbook Plasma Physics for Nuclear Fusion (MIT Press, Cambridge, MA, 1976; revised edition 1989), has now published a new book entitled Fundamentals of Plasma Physics and Controlled Fusion (Iwanami Book Service Center, Tokyo, 1997). To a large extent, the new book is a somewhat shortened and well reorganized version of its predecessor. The style, concise and matter of fact, clearly shows the origin of the text in lectures given by the author to graduate students. As announced by the title, the book is divided into two parts: the first part (about 250 pages) is a general introduction to the physics of plasmas, while the second, somewhat shorter, part (about 150 pages), is devoted to a description of the most important experimental approaches to achieving controlled thermonuclear fusion. Even in the first part, moreover, the choice of subjects is consistently oriented towards the needs of fusion research. Thus, the introduction to the behaviour of charged particles (particle motion, collisions, etc.) and to the collective description of plasmas is quite short, although the reader will get a flavour of all the most important topics and will find a number of examples chosen for their relevance to fusion applications (only the presentation of the Vlasov equation, in the second section of Chapter 4, might be criticized as so concise as to be almost misleading, since the difference between microscopic and macroscopic fields is not even mentioned). Considerably more space is devoted to the magnetohydrodynamic (MHD) description of equilibrium and stability. This part includes the solution of the Grad-Shafranov equation for circular tokamaks, a brief discussion of Pfirsch-Schlüter, neoclassical and anomalous diffusion, and two relatively long chapters on the most important ideal and resistive MHD instabilities of toroidal plasmas; drift and ion temperature gradient driven instabilities are also briefly presented. The general part concludes with a few chapters on waves, again covering a broad spectrum of topics in a very condensed form: cold plasma waves, Landau and cyclotron absorption, quasi-linear theory, power flow and ray tracing in non-uniform plasmas, the main radiofrequency heating scenarios (ion cyclotron, lower hybrid and electron cyclotron) and the most common velocity space instabilities.The second part describes tokamaks, reversed field pinches, stellarators and open ended systems, and ends with a short chapter on inertial fusion. Although more descriptive in nature, this part offers a succinct introduction to relatively advanced topics, particularly for the tokamak: MHD stability and density limits, non-inductive current drive, bootstrap current, improved confinement regimes and scaling laws of the confinement. Reference to the first, general part, allows an introduction to and explanation of many of the formulas in current use for the interpretation of experimental results. A nice feature of this part is also the concise but very readable introduction to the history of fusion research.The level of the presentation corresponds well to what one would expect in a course for postgraduate students: most topics are discussed rather briefly, but always quantitatively, the mathematics being mostly worked out in full. As should be clear from the description of the content, there is a strong bias towards concrete applications, at the expense of general principles: this goes so far that the derivation of the energy principle for ideal MHD instabilities and of the dielectric tensor of the hot plasma are relegated to appendices, in spite of the fact that the mathematics involved is by no means more complex than that of the applications discussed in the main text. The equations of magnetohydrodynamics are derived in Chapter 5 not as a particular closure of the hierarchy of moments of the Vlasov equation, but using a phenomenological approach. The space devoted to comments and explanations is kept to a minimum, and discussions of the limits of validity of the theoretical models used (Vlasov equation, MHD, cold plasma, etc.) are almost absent: this price had to be paid to condense so many topics in less than 400 pages. The text is nevertheless always clear and easy to follow. The new book will therefore be appreciated both by students entering fusion research and by many senior physicists, for example experimentalists with an interest in the theoretical aspects of their work, wishing to gain a rapid but not too superficial overview of the whole field. It can also be useful for teachers of plasma physics as a source of relevant examples on particular topics worked out in detail. For all the plasma physicists who do not already possess the previous volume by Prof. Miyamoto, it is a useful addition to their library.

日本語訳

宮本健郎教授は、その教科書『プラズマ物理学』(MIT Press, Cambridge, 1976年;改訂版1989年)で既に広く知られているが、今回新たに『プラズマ物理・核融合の基礎』(岩波書店サービスセンター、東京、1997年)と題する新著を出版した。この新著は、その大部分において、前著をやや簡潔にし、よく再構成したものと言える。その文体は簡潔かつ事実に基づいており、著者が大学院生に対して行った講義にその起源を持つことが明確に示されている。タイトルが示すとおり、本書は二部構成となっている。第一部(約250頁)はプラズマ物理学への一般的な入門であり、第二部(約150頁)は、制御熱核融合を達成するための最も重要な実験的アプローチの解説に充てられている。さらに、第一部においても、題材の選択は一貫して核融合研究のニーズに向けられている。したがって、荷電粒子の挙動(粒子運動、衝突など)とプラズマの集団的記述への入門はかなり簡潔であるが、読者は最も重要な全テーマの概要を把握でき、核融合応用への関連性を考慮して選ばれた多くの例を見出すことができる(唯一、第4章第2節におけるブラソフ方程式の提示は、微視的場と巨視的場の違いが言及さえされていないため、ほとんど誤解を招くほど簡潔であると批判されるかもしれない)。平衡と安定性の磁気流体力学(MHD)的記述には、かなり多くの紙面が割かれている。この部分には、円形トカマクに対するグロード–シャフラノフ方程式の解法、プフィルシュ–シュリューター拡散、新古典拡散、異常拡散の簡潔な議論、そしてトロイダルプラズマの最も重要な理想MHDおよび抵抗性MHD不安定性に関する2つの比較的長い章が含まれており、ドリフト不安定性とイオン温度勾配駆動不安定性も簡潔に提示されている。一般的な部分は、波動に関するいくつかの章で締めくくられており、冷プラズマ波動、ランダウ減衰とサイクロトロン吸収、準線形理論、非一様プラズマにおけるパワーフローと光線追跡、主要な高周波加熱シナリオ(イオンサイクロトロン、低域混成、電子サイクロトロン)、そして最も一般的な速度空間不安定性など、非常に凝縮された形で幅広いトピックを再び扱っている。第二部では、トカマク、逆転磁場ピンチ、ヘリカルシステム(ステラレーター)、開放端系について解説し、最後に慣性核融合に関する短い章で締めくくっている。本質的により記述的ではあるが、この部分は、特にトカマクに関して、比較的高度なトピックへの簡潔な入門を提供している。すなわち、MHD安定性と密度限界、非誘導電流駆動、ブートストラップ電流、改善閉じ込めモード、閉じ込めのスケーリング則などである。第一部への参照により、実験結果の解釈に現在使用されている多くの公式の導入と説明が可能になっている。この部分の優れた特徴は、核融合研究の歴史への簡潔でありながら非常に読みやすい入門でもある。その提示の水準は、大学院生向けの講義で期待されるものに十分対応している。すなわち、ほとんどのトピックはかなり簡潔に扱われているが、常に定量的であり、数学的導出はほとんど完全に展開されている。内容の説明から明らかなように、一般的原理を犠牲にして具体的応用への強い偏りがある。この傾向は、理想MHD不安定性のエネルギー原理や高温プラズマの誘電テンソルの導出が付録に回されているほどである。それらの導出に必要な数学は、本文で扱われている応用のそれと比べて決して複雑ではないにもかかわらずである。磁気流体力学の方程式は、第5章において、ブラソフ方程式のモーメント展開の特定の閉じ方としてではなく、現象論的アプローチを用いて導出されている。コメントや説明に割かれた紙面は最小限に抑えられており、使用されている理論モデル(ブラソフ方程式、MHD、冷プラズマなど)の妥当性の限界に関する議論はほとんど存在しない。これは、400頁未満にこれほど多くのトピックを凝縮するために支払わなければならなかった代償である。それにもかかわらず、本文は常に明快で読みやすい。したがって、この新著は、核融合研究に足を踏み入れる学生と、例えば仕事の理論的側面に関心を持つ実験家など、分野全体の迅速ながらもあまり表面的でない概観を得たいと願う多くの上級物理学者の両方によって、高く評価されるであろう。また、プラズマ物理学の教育者にとっては、特定のトピックについて詳細に扱われた関連例の源泉として有用である。宮本教授の前著をまだ所有していないすべてのプラズマ物理学者にとって、これはその蔵書への有用な追加となるであろう。

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