Simulation of formation of high intense magnetic field using laser plasma and its application

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26400532
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 長友 英夫 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (10283813)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 副主任研究員 (00370213) ; 城崎 知至 広島大学, 工学研究院, 准教授 (10397680)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 輻射流体力学 / MHDシミュレーション / 強磁場発生 / 爆縮 / レーザープラズマ

Outline of Annual Research Achievements

電子熱伝導モデルとして流束制限Spitzer-Harmモデルを用いた２次元輻射・抵抗性磁気流体シミュレーションコードに、新たに非局所電子熱伝導モデルを導入した。運動論に基づくコードなどと比較した結果、妥当性が示されるとともに外部磁場が与えられた場合についても非局所電子熱伝導モデルが必要であると理解した。磁場中の非局所電子熱伝導モデルの導入を検討、開発に着手した。アブレーション領域でのBraginskiiモデルを運動論的に検証し、一部領域で修正が必要であるとした主張が認められ、学術誌(Phys.Plasmas 24, 042117, 2017)に掲載予定である。
爆縮による磁場の圧縮、磁場による電子熱伝導係数の非等方性に起因する流体力学的不安定性に関する研究成果も順調に得られ、スペインで開催された高速点火と直接照射核融合に関する国際会議で招待講演を行ったほか、学術誌（Nuclear Fusion）に投稿中である。
一方、これまでに開発したコードを実験結果と比較するため、２つの実験グループと協力して大型レーザー装置を用いた実験での検証を進めた。一つは臨界密度程度のフォームターゲットに外部磁場を与え電離波面と衝撃波面を計測する実験である。有効なデータが取得できたが、本課題が終了する直前に実施されたため、シミュレーション結果との比較は進行中である。本課題終了後に詳細解析、比較検討する予定である。また、レーザープラズマを用いた磁気スラスターに関する研究についても磁気圧、真空境界のMHDの扱いを引き続き検討中である。
キャパシターコイルによる磁場発生のシミュレーションについては、自由境界の取り扱いが解決し解析できるようになった。しかし、WDM領域での物性値がはっきりせず、定量的な解析を行うまでには至らなかった。今後は、物性値計測の実験にも踏み込んだ研究グループを組織して解明する必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Validation of thermal conductivity in magnetized plasmas using particle-in-cell simulations (2017)
  • Author(s): T. Asahina, H. Nagatomo, A. Sunahara, T. Johzaki, M. Hata, K. Mima, Y. Sentoku
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 24 Pages: 042117
  • DOI: 10.1063/1.4981233
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • Author(s): T. Johzaki, H. Nagatomo, A. Sunahara, Y. Sentoku, M. Hata, T. Taguchi, K. Mima, Y. Kai, D. Ajimi, T. Ishoda, T. Endo, A. Yogo, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga, and H. Azechi
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 59 Pages: 014045 (8pp)
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses (2017)
  • Author(s): A. Yogo, K. Mima, N. Iwata, S. Tosaki, A. Morace, Y. Arikawa, S. Fujioka, T. Johzaki, Y. Sentoku, H. Nishimura, A. Sagisaka, K. Matsuo, N. Kamitsukasa, S. Kojima, H. Nagatomo, M. Nakai, H. Shiraga, M. Murakami, S. Tokita, J. Kawanaka, N. Miyanaga, K. Yamanoi, T. Norimatsu, H. Sakagami, S.V. Bulanov, K. Kondo, H. Azechi
  • Journal Title: SCIENTIFIC REPORTS Volume: 7 Pages: 42451 (10pp)
  • DOI: 10.1038/srep42451
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An optimum design of implosion with external magnetic field for electron beam guiding in fast ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T Johzaki, T Asahina, K Matsuo, A Sunahara, H Sakagami, T Sano, K Mima, A Morace, Z Zhang, S Fujioka, K Shigemori, H Shiraga
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 717 Pages: 012041 (4pp)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012041
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of radiation reaction in the interaction between cluster media and high intensity lasers in the radiation dominant regime (2016)
  • Author(s): Natsumi Iwata, Hideo Nagatomo, Yuji Fukuda, Ryutaro Matsui, and Yasuaki Kishimoto
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 063115-1~17
  • DOI: 10.1063/1.4954152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron beam guiding by external magnetic fields in imploded fuel plasma (2016)
  • Author(s): T Johzaki, Y Sentoku, H Nagatomo, A Sunahara, H Sakagami, S Fujioka, H Shiraga, T Endo
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 717 Pages: 012025 (4pp)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012025
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field (2016)
  • Author(s): S. Fujioka, Y. Arikawa, S. Kojima, T. Johzaki, H. Nagatomo, H. Sawada, S. H. Lee, T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Morace, X. Vaisseau, S. Sakata, Y. Abe, K. Matsuo, K. F. F. Law, S. Tosaki, A. Yogo, K. Shigemori, Y. Hironaka, Z. Zhang, A. Sunahara, T. Ozaki, H. Sakagami, K. Mima, et al.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 056308 (11pp)
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Simulation study of magnetic-field-assisted fast ignition for FIREX (2017)
  • Author(s): Hideo NAGATOMO
  • Organizer: 13th Direct-Drive & Fast Ignition Workshop
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2017-03-22 – 2017-03-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー核融合の爆縮シミュレーションにおける非局所電子熱伝導モデルの影響 (2017)
  • Author(s): 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • 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
• [Presentation] 外部磁場の影響下の非局所電子熱伝導を考慮したレーザープラズマの輻射流体シミュレーション (2016)
  • Author(s): 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • Organizer: 第３０回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 東京都江戸川区
  • Year and Date: 2016-12-13
• [Presentation] 輻射-電磁流体コードへの非局所電子熱伝導モデルの導入 (2016)
  • Author(s): 長友英夫，朝比奈隆志，砂原淳，城﨑知至
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第３３回年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-12-01
• [Presentation] Effect of non-local electron conduction in compression of solid ball target for fast ignition (2016)
  • Author(s): Hideo NAGATOMO, Takashi ASAHINA, Tomoyuki JOHZAKI, Philippe NICOLAI
  • Organizer: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: San Jose, California, USA
  • Year and Date: 2016-10-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Compression and Electron Beam Heating of Solid Target under the External Magnetic Field for Fast Ignition (2016)
  • Author(s): H. Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina. S.LeesM. Hata, Sunahara, S. Fujioka, K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, A. Sunahara, H. Sakagami
  • Organizer: 26th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中実球の高密度圧縮における高速電子の影響の評価 (2016)
  • Author(s): 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • 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
• [Presentation] 高速点火のため外部磁場中の燃料球圧縮 (2016)
  • Author(s): 長友英夫, 城﨑知至, 朝比奈隆志, 砂原淳, 坂上仁志
  • Organizer: 第１１回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂
  • Year and Date: 2016-07-14
• [Presentation] Integrated Simulation of Imploded Core Heating for the FIREX project (2016)
  • Author(s): 城﨑知至
  • Organizer: 43rd European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • Place of Presentation: Leuven, Belgium
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solid Target Compression Under the Strong Magnetic Field for Fast Ignition, (2016)
  • Author(s): Hideo Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina, S. Lee, A. Hata, S. Fujioka, K. Mima, A. Sunahara, H. Sakagami
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers, (CLES2016 in OPIC2016)
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama, Yokohama Japan
  • Year and Date: 2016-05-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated Simulation of Imploded Core Heating for the FIREX project (2016)
  • Author(s): 城﨑知至
  • Organizer: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers, (CLES2016 in OPIC2016)
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated Simulation for Magnetized Fast Ignition Laser Fusion (2016)
  • Author(s): 城﨑知至
  • Organizer: 10th West Lake International Symposium on Magnetic Fusion and 12th Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • Place of Presentation: Hangzhou, China
  • Year and Date: 2016-05-09 – 2016-05-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated simulation of fast ignition under the strong external magnetic field (2016)
  • Author(s): Hideo Nagatomo
  • Organizer: 12th Direct Drive and Fast Ignition Workshop
  • Place of Presentation: University of Bordeaux, Talence, France
  • Year and Date: 2016-04-25 – 2016-04-27
  • Int'l Joint Research