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2016 Fiscal Year Annual Research Report

多階層モデルによる統合爆縮コードの開発と高速点火実証実験の提案

Research Project

Project/Area Number 15J02622
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

白戸 高志  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Keywords核融合プラズマ / プラズマ物理学 / 流体不安定性 / 輻射流体力学 / 高速点火慣性核融合
Outline of Annual Research Achievements

本年度は,メガジュール級の慣性閉じ込め爆縮シミュレーションについて報告を行い,高Z物質のドープによって流体不安定性の抑制し,最大圧縮時の密度半径積を最大2倍増加させることに成功した.平板ターゲット実験により計算コードを妥当性を検証し,detailed configuration accounting モデルを用いて輻射輸送計算を行うことで,従来の定説を覆す点火スケールでの有用性を数値的に実証した.
また,輻射流体シミュレーションでしばしば用いられる1流体2温度モデルにおいて,エネルギーの大域的保存を満足する数値計算手法の開発に成功した.1流体2温度モデルの支配方程式とエネルギー保存則を関連付ける上で積の微分法則が重要な役割を演じていることに着目し,エネルギー保存則を離散化したのちに積の差分法則を用いて非保存型の差分式を導出した.このような指針に基づいて数値計算法を構築した後に,衝撃波管問題による検証計算を行った.その結果,大域的なエネルギー保存則を丸め誤差レベルで厳密に満足することができた上に,局所的な保存則であるRankine-Hugoniot関係式を満足する数値解を得ることに成功した.
さらに,高速点火におけるレーザープラズマ相互作用を記述する際に一般的に用いられる相対論的particle-in-cell (PIC) 法に関して,電荷と運動量保存則を同時に満足する計算手法の開発に成功した.古典電磁気学のMaxwell方程式から電荷・運動量・エネルギーの保存則を導く際には,偏微分演算子の交換法則と積の微分法則が重要であることに着目し,時間と空間,電場と磁場に対称性を持たせた全く新しい差分解法の開発を行った.このような電磁場解法をPIC法に実装した結果,電荷と運動量を厳密に満たす手法の実証に世界で初めて成功した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究課題申請時には,慣性核融合の流体・粒子シミュレーションのいずれも保存則を満足する数値計算はできないのが共通認識であった.しかしながら,支配方程式の内包する数学的背景に着目することで,1流体2温度モデルや相対論的電磁粒子シミュレーションにおいてもこの問題を解決しうることが判明した.統合爆縮計算において異なる支配方程式を自己無撞着に接続するには,保存則が本質的な役割を果たすことが明白である.従って,各物理モデルに対する保存解法を開発することは,申請時に想定していたよりも信頼性の高い統合爆縮コードを開発することにつながる.
以上より,当初の計画以上に順調に進展しているとした.

Strategy for Future Research Activity

最終年度は電荷・エネルギー保存型の相対論的電磁粒子シミュレーション法を開発する.電荷・運動量保存型の場合は時間と共にエネルギーが際限なく増加することを確認している.一方で,エネルギーを保存スキームは運動量を統計的に保存するという報告もあるため,長時間計算を見すえてエネルギー保存スキームの検討を行う.また,運動量保存とエネルギー保存の優劣を比較した後に,流体シミュレーションとの連結を実施する.

高速点火実証実験の提案では,輻射流体シミュレーションにより最大圧縮時の密度半径積を増加させるようなターゲットデザインの提案を行う.中実球の等エントロピー爆縮に関する1次元理論モデルがあるが,現実にはレーザーの非一様性やパルス整形の精度により,現状は理想的な爆縮を行えていない.そこで,非一様性を考慮した多次元計算を行い,このような不確実性に対してロバストなターゲットデザインの調査を実施する.

  • Research Products

    (8 results)

All 2017 2016

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] High-density implosion via suppression of Rayleigh-Taylor instability2016

    • Author(s)
      T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Sunahara, S. Fujioka and A. Sasaki
    • Journal Title

      J. Phys. Conf. Ser.

      Volume: 717 Pages: 012051

    • DOI

      10.1088/1742-6596/717/1/012051

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Flash Kα radiography of laser-driven solid sphere compression for fast ignition2016

    • Author(s)
      H. Sawada et al.
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 108 Pages: 254101

    • DOI

      10.1063/1.4954383

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Numerical demonstration of high-Z doping scheme on ignition-relevant scale implosion2016

    • Author(s)
      T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Sunahara, S. Fujioka and A. Sasaki
    • Journal Title

      Phys. Plasmas

      Volume: 23 Pages: 122705

    • DOI

      10.1063/1.4972546

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 構造保存型オペレータに基づく電磁粒子シミュレーション法における数値加熱の排除法I2017

    • Author(s)
      白戸高志,高橋聖幸,大西直文
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] 構造保存スキームによるレーザープラズマシミュレーション法の再構築2016

    • Author(s)
      白戸高志,河合宗司,高橋聖幸,大西直文
    • Organizer
      レーザー励起X線源とその応用研究会
    • Place of Presentation
      ほほえみの宿 滝の湯(天童市)
    • Year and Date
      2016-12-15 – 2016-12-16
  • [Presentation] Numerical scheme for energy conservation on the two-temperature hydrodynamic model2016

    • Author(s)
      T. Shiroto, S. Kawai and N. Ohnishi
    • Organizer
      US-Japan workshop on laser-plasma interactions and high energy-density physics
    • Place of Presentation
      San Jose Marriott, CA, USA
    • Year and Date
      2016-11-04 – 2016-11-05
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Suppression of RTI by the use of high-Z doping scheme on mega-joule scale implosion2016

    • Author(s)
      T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Sunahara, S. Fujioka and A. Sasaki
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of APS Division of Plasma Physics
    • Place of Presentation
      San Jose McEnery Convention Center, CA, USA
    • Year and Date
      2016-10-31 – 2016-11-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 差分オペレータの再定義による1流体2温度モデルに対する完全保存スキーム2016

    • Author(s)
      白戸高志,河合宗司,大西直文
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16

URL: 

Published: 2018-01-16  

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