This review is concerned with the physics of field-reversed configurations created by energetic particles of large orbits, of which the earliest example is the Astron. The Astron concept has evolved into the Ion Ring Compressor in which a low-energy ring of ions is magnetically compressed to high energy for heating the confined plasma to thermonuclear ignition. A third version is the hybrid in which field reversal is created both by plasma currents as in a θ-pinch or a spheromak and a component of energetic large orbit ions to provide heating energy as well as improved stability. This paper treats first the injection, trapping, and formation of electron and ion rings from a theoretical standpoint as well as presenting the principal experimental results. The equilibria and the characteristics of the particle orbits are discussed in some detail including conditions under which the orbits cease to be integrable and pass to a stochastic description. The theory of magnetic compression of rings and the classical transport of heat and particles of the plasma confined in the closed-poloidal-field-line region is presented. The bulk of the review is concerned with low-frequency stability of such configurations by means of a generalized energy principle for treating the large-orbit particles in the Vlasov limit. The pathology of all possible unstable modes is discussed at some length. We conclude with an exhaustive survey of microinstabilities driven by the energetic particle current for a special model and conclude that most of them are stabilized by strong gradients in density and magnetic field. A brief discussion on drift modes follows. Our present theoretical understanding of these systems, although still incomplete in some respects, nevertheless leads to the view that the promise of the very favourable features of fusion reactors based on these concepts is a sufficient impetus for their continued experimental and theoretical study.
本レビューは、大きな軌道を持つ高エネルギー粒子によって生成される磁場反転配位の物理学に関するものであり、その最も初期の例はアストロンである。アストロンの概念はイオンリング圧縮器へと発展し、そこでは低エネルギーのイオンリングが磁気的に圧縮されて高エネルギー化され、閉じ込められたプラズマを熱核点火まで加熱する。第三の変種はハイブリッド方式であり、そこではθピンチやスフェロマックにおけるようなプラズマ電流と、高エネルギー大軌道イオンの成分の両方によって磁場反転が生成され、加熱エネルギーとともに改善された安定性が提供される。本論文はまず、電子およびイオンリングの入射、捕捉、形成を理論的観点から扱い、主要な実験結果も提示する。平衡状態と粒子軌道の特性は、軌道が可積分性を失い確率的記述へ移行する条件を含めて、かなり詳細に議論される。リングの磁気圧縮の理論と、閉じたポロイダル磁力線領域に閉じ込められたプラズマの古典的な熱および粒子輸送が提示される。レビューの大部分は、Vlasov極限における大軌道粒子を扱うための一般化されたエネルギー原理による、そのような配位の低周波安定性に関するものである。すべての可能な不安定モードの病理がかなりの長さで議論される。最後に、特殊なモデルに対する高エネルギー粒子電流によって駆動される微視的不安定性の徹底的な調査を行い、それらのほとんどが密度および磁場の強い勾配によって安定化されるという結論を述べる。続いてドリフトモードに関する簡単な議論が行われる。これらの系に関する現在の理論的理解は、いくつかの点でまだ不完全ではあるが、それでもなお、これらの概念に基づく核融合炉の非常に有利な特性の可能性は、それらの継続的な実験的および理論的研究の十分な動機となるとの見解に導かれる。