2017 Fiscal Year Research-status Report
拡張MHDモデルを用いた磁気ヘリシティ入射によるプラズマ電流駆動の理論構築
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16K05627
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
廣田 真 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (40432900)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 拡張電磁流体力学 / 磁気ヘリシティ / テイラー緩和 / 磁気リコネクション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験装置内で磁化プラズマの緩和状態を形成・維持するためには、外部から磁気ヘリシティを入射する必要がある。抵抗性MHD理論によれば、トーラス容器内のプラズマへは、外部コイルによって誘導されるトロイダル電圧とポロイダル電圧の組み合わせによって、磁気ヘリシティを入射できる。トカマクのように一定のトロイダル電圧を与えるのがDC磁気ヘリシティ入射であるのに対し、トロイダル電圧とポロイダル電圧を共に振動させて、平均的に磁気ヘリシティを入射する方法をAC磁気ヘリシティ入射と呼ぶ。
このような磁気ヘリシティ入射に伴うMHD現象の理論シミュレーション研究ではしばしば「プラズマ圧力をゼロとしつつ、密度を一様」と仮定したゼロベータ近似モデルが用いられてきた。しかし、磁気ヘリシティ入射の際には、導体壁近傍における磁場と電流との外積による電磁気力が内向きに働く傾向があり、プラズマが圧縮されて周辺部が真空に近い状態になることが理論的に予想される。ところが、圧縮性や真空を考慮した数値計算は困難であり、それが緩和過程へどう影響するかも理解されていない。
本研究では単に圧縮性MHD方程式を解くだけでなく、真空領域の形成も考慮して磁気ヘリシティ入射の数値シミュレーションを行った。密度がゼロになる所では自然に電流もゼロになるようにするため、(i)電気抵抗を一定ではなく、密度に反比例して増大させる手法(ii)微小な電子慣性効果を導入する手法の二通りを用いた。その結果、真空領域ではエネルギーの散逸はないが、ヘリシティーの散逸が起きることがわかり、圧縮性を考慮することで古典的なテイラー緩和理論から逸脱することが予想される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
より物理的に正しいプラズマの挙動を見るためには、従来から用いられてきたゼロベータ近似モデルでは不十分である可能性に気付いた。そこで、圧縮性や真空領域まで考慮したモデル方程式も解くことにした。さらに、当初から計画していた電子慣性効果によるモデルの拡張も、この段階で必要となり、成果のとりまとめよりもコード開発を先行させた。
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| Strategy for Future Research Activity |
抵抗性MHDモデルを扱う範囲では、DC/AC磁気ヘリシティ入射によって駆動される緩和過程への理解が整理されてきたので、一旦論文にまとめる。電子慣性効果はすでに実装したが、ホール効果も考慮した拡張MHDモデルのシミュレーションを行い、こうした二流体効果によって緩和現象やヘリシティの保存則がどのように変わるのかを今後調べていく。
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