2018 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 / 多階層モデル / 粒子モデル / 圧力駆動型不安定性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
プラズマにおける複雑現象を多階層過程として理解するため、様々な多階層モデルの開発、およびそれらのモデルを支える第一原理的なシミュレーションによる磁気リコネクション、圧力駆動型不安定性の研究を行っている。
多階層モデルは大きく2種類に分けられる。1つは領域分割型の多階層モデルであり、シミュレーションの実空間を分割し、マクロの物理は磁気流体（MHD）、ミクロの物理は粒子(PIC)シミュレーションで解く。磁気リコネクション下流を想定して、MHD領域とPIC領域の間に、粒子衝突効果があるPIC領域を挟んだ、三階層連結のモデルを構築した。また、磁気リコネクション上流・下流の両方を階層連結することを目標に、2方向連結のモデルを開発した。これらのモデルにおける連結の正しさを詳細に検証をして、論文として発表した。
階層間を連結するためには、リコネクション下流における物理を詳細に理解する必要があるため、引き続き、下流におけるプラズマの挙動について粒子シミュレーションを用いて調べている。イオンについてはリング状あるいは弧状の特徴的な速度分布を見出していた。今年度はさらに、この加熱機構のガイド磁場・リコネクション磁場依存性を示すことができた。また、この依存性を説明する理論を構築することにも成功した。一方で電子の挙動についても調べ始め、ガイド磁場の大きさによって、エネルギー変換の磁場平行成分、垂直成分の比率が大きく変わることを発見した。
もう1つの手法・パラメータ繰り込み型の多階層モデル開発も進めた。圧力駆動型不安定性のさらに大規模な粒子シミュレーションを行い、同じ条件下のMHDモデルとの比較に取り組んでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
多階層モデル開発面では、領域分割型モデルの開発を進めて、これまでの1次元上流連結モデルから2種類の発展モデルを作り、様々な検証を行って論文にまとめることができた。その反面、拡張MHDとPICとの連結は技術的困難が残り、後述する磁気リコネクションの物理面探求の進展が必要な状況である。パラメータ組み込み型の多階層モデル開発においては、圧力駆動型不安定性の粒子シミュレーションを実施したが、すでに実施されているMHDシミュレーションと精度よく比較するには、さらに大規模な粒子シミュレーションが必須となった。そこで、磁気リコネクション研究のため開発した領域を並列化した大規模な粒子コードを圧力駆動型不安定性に適用することを試みている。
磁気リコネクションの物理面探求については、目標より大幅に成果を出すことができた。主な成果は、下流で、リング状・弧状のイオン速度分布が形成される過程を、球状トカマクにおけるプラズマ合体に適用したことである。見出されたこのような速度分布関数の変形は、マクロな視点では実効的な加熱と扱うことができ、このイオン加熱のリコネクション磁場（ポロイダル磁場）、ガイド磁場（トロイダル磁場）依存性は、球状トカマクで報告されている傾向と非常によく一致することがわかった。この成果は核融合についての世界的な会議IAEA-FEC2018での発表に採択され、将来の球状トカマク高性能化へ貢献が期待されるなど、目標以上の進展を挙げることができた。一方で、下流における電子のエネルギー変換についても論文に発表することができ、目標以上の成果である。
以上から、全体としては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 |
多階層シミュレーションモデル開発面においては、主にパラメータ組み込み型モデルの開発を進める。磁気リコネクション研究で用いている、領域を並列化した粒子コードを適用して、圧力駆動型不安定性のさらなる大規模なシミュレーションを実施することで、MHDあるいは拡張MHDシミュレーションの結果と、より高い精度で比較する。得られた結果から、不安定性成長率などのマクロな結果に対する運動論の効果をモデル化し、拡張MHD方程式系に組み込む。また、磁気リコネクションの電気抵抗を生み出す要因であるドリフトキンク不安定性をターゲットとして、粒子シミュレーションを行い、電気抵抗のモデル化を行う。一方、領域分割型多階層モデルを発展させるため、磁気リコネクションに関する今までと今後の粒子シミュレーション結果から連結部分の改良へとつなげる。
磁気リコネクションの物理面探究においては、下流におけるプラズマの粒子速度分布を詳しく解析する。上述したように、下流ではイオンのリング状あるいは弧状の速度分布構造を形成しているが、今後はこの特異な速度分布が生み出すであろう不安定性に着目する。その不安定性がリング状・弧状の速度分布をマクスウェル速度分布に近づける、すなわち、実効的加熱から真の加熱へと変換していく可能性が高いため、それが下流のどこで起こるのか、速度分布の緩和スピードなどを調べていく。また、本研究で、単純なリング、弧ではなく、複数のリング・弧が重なった状態の速度分布を見出しており、これが加熱にどのような影響を与えるのか探求する。
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| Causes of Carryover |
購入を計画していた、外付けハードディスクドライブ、解析ソフトウェアの購入をとりやめた。平成31年度（令和元年度）には、核融合科学研究所のスーパーコンピュータの更新があり、更新期間にもシミュレーションデータの解析を継続するため、データを手元に移す必要がある。そのため大容量の外付けハードディスクドライブを購入する予定である。
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