2016 Fiscal Year Research-status Report
多階層シミュレーションモデルの開発とプラズマ階層横断現象の探求
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16K17847
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 磁気リコネクション / プラズマ加熱 / 多階層シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
成果は、多階層シミュレーションモデルの開発面とプラズマ多階層現象の探求面の２つに分けられる。
我々の領域分割型多階層モデルでは、シミュレーションの実空間を分割する手法に基づき、マクロ領域のダイナミクスは磁気流体(MHD)シミュレーション、ミクロ領域の物理は粒子(PIC)シミュレーションを用いて解き、２つの領域間にインターフェイス領域を挿入して、そこで両者をスムーズに連結する。
しかし、核融合プラズマなどでは、二流体効果や有限Larmor半径効果といった非理想的な効果が重要な役割を果たす領域が広く見られる。また、この多階層モデルを最初に適用した現象である磁気リコネクションの下流においても、このような非理想的効果が強いことが分かってきた。そこで、これまでの理想MHDと粒子コードの連結モデルから発展させて、Hall項と呼ばれる二流体効果を含む拡張MHDと粒子コードを連結した。この新しい多階層モデルの検証として、これまでのモデルでは扱えなかったホイッスラー波伝播のシミュレーションを行うことに成功した。
一方、プラズマ多階層現象として磁気リコネクションの物理過程を調べている。多階層モデルによる研究を支えるため、粒子シミュレーションにより磁気リコネクション下流におけるプラズマの振る舞い、エネルギー変換機構などを詳しく調べた。その結果、リング状の特徴的な粒子速度分布を見出し、また、詳しい解析により、そのような構造が作られる過程を明らかにした。この成果は、下流における階層間連結に応用できる可能性がある。また、一方で、マクロな視点から見ると、この過程はプラズマの実効的な加熱機構として働いていることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成28年度は、多階層モデル開発面として、拡張MHDと粒子コードを連結して、物理的に正しく連結されていることを検証する、さらに二方向あるいは三方向の階層間連結に取り組むことを目標とした。Hall効果をとり入れた拡張MHDと粒子コードを連結して、線形ホイッスラー波を伝播する多階層シミュレーションを実施するところまで進めることができた。しかし一方で周波数が波数の2乗に比例する波を安定的に伝播させるためには、時間ステップ幅が非常に小さくなるという課題に直面し、何らかの工夫が求められることが分かった。また、理想MHDとPICを二方向連結するモデルの開発には成功し、プラズマを伝播させるシミュレーションを行って検証は行っているが、このモデルを拡張MHDとPICの二方向連結に発展させるまでには至らなかった。
物理探究面においては、磁気リコネクション下流におけるプラズマのダイナミクスを粒子シミュレーションを用いて調べ、プラズマを構成する主成分イオンである水素イオンが非断熱的な運動をしていること、イオンの速度分布がリング状構造を構成していること、これが実効的な加熱機構として働いていること、どこでどのようにイオンは運動エネルギーを獲得しているか（エネルギー変換過程）を明らかにした。このような興味深い結果を見出したことにより、当初の計画以上に研究を進展させることができている。
以上から、全体として本研究課題の進捗状況は「やや遅れている」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
領域分割型多階層モデルの発展を目指して、磁気リコネクション下流におけるプラズマの物理を探求した結果、興味深いイオン運動を見出している。このプロセスは、球状トカマクにおけるプラズマ合体実験などで見られるプラズマ加熱を説明できる可能性が高い。そこで、このイオン運動を粒子シミュレーションにより詳しく解析し、東京大学TS-4やプリンストンプラズマ物理研究所のMRX、あるいはFLAREの実験結果と比較することを計画している。必要に応じて、領域を並列化した大規模な粒子シミュレーションを用いる。
また、領域分割型多階層モデルにおいて直面している課題は、下流における階層間連結であるため、上述のイオン運動により形成されるリング状の特徴的な速度分布関数を扱える流体方程式系の導出、あるいはスムーズにMHDに接続できるような手法開発に取り組む。
一方、圧力駆動型不安定性の探究を目指した多階層モデル開発面に関して述べる。平成29年度は、圧力駆動型不安定性の１つRayleigh-Taylor不安定性を主な対象とする。これまで二流体効果などをMHD方程式に組み込んだシミュレーションにより、不安定性成長率が大きく変化することが分かっている。そこでさらに、運動論効果が不安定性成長率などにどのように影響を及ぼすか調べることを目標として、パラメータ繰り込み型多階層モデルの開発を進める。運動論効果のモデリングをするために、拡張MHDと粒子シミュレーションを同じ条件下で行い、またパラメータサーベイをするところまで実施する予定である。
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| Causes of Carryover |
当初、得られた成果を2017年3月に開催される日本物理学会第72回年次大会において発表し、そのために旅費および参加費として経費を使用する予定であった。しかし、同じ日程で自身が現地実行委員会を勤める日米ワークショップを開催することになり、成果はそちらで発表することとした。その旅費および参加費は、日米ワークショップ予算などから支払われたため、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度に得られる成果を報告し、また最新の研究状況についての情報収集を行うため、学会あるいは研究会に参加する。そのため、旅費およびその他として学会参加費を使用する。現在、姫路で行われるPlasma Conference 2017に参加する予定である。
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Research Products
(8 results)
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[Presentation] Reconnection Heating Experiments and Simulations for Torus Plasma Merging Startup2016
Author(s)
Y. Ono, T. Yamada, S. Inoue, M. Inomoto, C. Z. Cheng, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. J. Crowley, C. Michael, H. Hara, S. Usami, and R. Horiuchi
Organizer
26th IAEA Fusion Energy Conference
Place of Presentation
Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan
Year and Date
2016-10-17 – 2016-10-22
Int'l Joint Research
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