2022 Fiscal Year Annual Research Report
波動粒子相互作用の効果を取り入れた無衝突プラズマの新しい流体モデルの研究
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22J21443
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
寺境 太樹 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2022-04-22 – 2025-03-31
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| Keywords | 無衝突プラズマ / 運動論 / 数値計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は無衝突プラズマの新しい物理モデルを開発するものである。既存のモデルは流体モデルと運動論モデルに大別される。流体モデルはガスの密度、流体速度、圧力などを計算し、計算量が比較的少なく、結果の解釈もしやすいという利点があるが、無衝突プラズマの運動論効果を記述することができない。運動論モデルは速度空間分布関数の時間発展を計算するため、無衝突プラズマのほとんどの物理を含むが、計算量が大きく、現代のスーパーコンピュータを用いても3次元のマクロな系のシミュレーションは困難である。
そこで、運動論効果のうち、影響の大きなものだけを流体ベースのモデルに近似的に取り入れたモデルの研究を進めている。
先行研究のプラズマ中の縦波と粒子の共鳴を取り入れた流体モデルを拡張し、横波と粒子の共鳴を取り入れたモデルを構築し、1次元のシミュレーションコードを開発した。それらの成果を学会等で発表した。また、天体衝撃波における運動論効果の研究を行い、具体的な系で運動論で記述されるミクロな物理が、流体モデルがしば用いられるようなマクロなスケールにどう影響を与えるかを調べている。
今後は、運動論効果を取り入れた流体モデルをより拡張し、3次元の大規模シミュレーションに適応することを目指す。本研究はプラズマ物理の基礎研究であり、宇宙、核融合、レーザー、などの分野の未解決問題の解決を目指す。また、機械学習や並列計算など計算科学の技術も取り入れて研究を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は無衝突プラズマの運動論効果を近似的に取り入れた流体モデルを構築するものである。先行研究で達成されていた、プラズマ中の縦波と粒子の共鳴を取り入れた流体モデルを拡張することを基本方針としている。これまでの研究で1次元の背景磁力線に平行に伝わる円変更の波と粒子の背景磁力線の周りのジャイロ運動との共鳴を取り入れた1次元モデルの理論を考え、1次元の数値シミュレーションコードが完成している。次のステップとして、多次元や、これまでに取り入れられていない共鳴効果を取り入れることを予定していた。
取り入れる物理過程が多ければ多いほど、モデルが複雑になり、計算量が少なく結果の解釈も容易な流体ベースのモデルの開発という目的からは遠ざかってしまう。そこで本年度は無衝突衝撃波など具体的な系の運動論的な研究をすることで、ミクロな運動論効果が大スケールに与える効果を調べる研究も行っていた。
共鳴を近似する理論に加えて、多次元のシミュレーションコードの開発にはそれを効率的にコンピュータ上で計算するアルゴリズムの研究も必要であるため、さまざまな手法を検討する必要がある。
これらの複雑性により、当初の目標であった1年目中に多次元の数値計算が行える数値シミュレーションコードを完成させるという目標の達成には至らなかったが、無衝突衝撃波の研究や、数値計算手法の開発などでは様々な成果が得られており、国内外の学会発表も積極的に行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
無衝突プラズマの物理モデルは主に2つある。一つ目は流体モデルで、ガスの密度、流体速度、圧力などを計算する。計算量が比較的少なく、結果の解釈もしやすいが、無衝突プラズマのミクロな物理を再現できないという問題がある。ミクロな物理を解く運動論モデルは正確だが計算量が多いという問題がある。そこで本研究ではミクロな運動論効果のうち、大スケールへの影響の多い部分を近似的に取り入れた流体ベースのモデルを開発している。
現状のモデルでは1次元の背景磁場に平行に伝播する波動と粒子の共鳴の効果を取り入れるところまで進んでおり、今後はこれを多次元に拡張する理論および数値シミュレーションコードを開発する。多次元のモデルを構築するにあたり、2つの方向性で研究を進める。
1つ目はミクロな物理がより複雑で現実的な系でどう大スケールに影響を与えるかを調べる方法で、前年度に行っていた無衝突衝撃波における例の続きをおこなう。これによって、どういった効果を内包する流体モデルが無衝突プラズマの記述に適しているかを明らかにする。
もう1つは機械学習を用いた方法の検討で、運動論シミュレーションの結果を解析し、流体方程式に加えるべきものを機械学習によって明らかにする手法である。これによって多次元の複雑な条件で使える方程式を探し、理論計算と合わせてより良いモデルを構築することを目指す。
また、本研究はプラズマ物理の基礎研究であり、宇宙、核融合、レーザー物理など様々な分野それぞれにおいて、モデルに必要な条件を検討し、最終的なモデルに取り入れることを目指す。
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