非正準Hamilton力学理論に基づく3次元MHD平衡コード開発とその物理応用

• 研究課題/領域番号: 15K06647
• 研究種目: 基盤研究(Ｃ)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 鳥取大学
• 研究代表者: 古川 勝 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (80360428)
• 研究期間 (年度): 2015-10-21 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: プラズマ・核融合 / ハミルトン系 / カシミール不変量 / 磁気流体力学（MHD） / 定常状態

研究成果の概要

磁化プラズマの巨視的運動を記述する磁気流体力学的（MHD）モデルについて，これまで計算不可能だった定常状態の計算を可能にする新しい計算法（疑似アニーリング）を開発した．本研究課題では，低ベータ簡約化MHDに疑似アニーリングを適用し，円柱プラズマの内部に磁気島があったりヘリカル変形した定常状態が，系のエネルギー極小状態として求められることをシミュレーションで実証した．さらに，高ベータ簡約化MHDに拡張し，トロイダルプラズマの定常状態計算にも成功した．また本研究を通じ，ハミルトン系の先進的な数値計算法が必要となり，荷電粒子の運動も含め支配方程式のハミルトン構造を保持した数値計算法の開発も行った．

研究成果

• [国際共同研究] テキサス大学オースチン校(米国)
• [国際共同研究] テキサス大学オースチン校(米国)
• [国際共同研究] マックスプランク プラズマ物理研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] High-order integration scheme for relativistic charged particle motion in magnetized plasmas with volume preserving properties (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Matsuyama and M. Furukawa
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 220 ページ: 285-296
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2017.08.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extension of Numerical Matching Method to Weakly Nonlinear Evolution of Resistive MHD Modes (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaru FURUKAWA and Shinji TOKUDA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 号: 0 ページ: 1403025-1403025
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1403025
  • NAID: 130005766009
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulated annealing for three-dimensional low-beta reduced MHD equilibria in cylindrical geometry (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa and P. J. Morrison
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 59 号: 5 ページ: 054001-054001
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa5863
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-Accuracy Numerical Integration of Charged Particle Motion – with Application to Ponderomotive Force (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa, A. Matsuyama and Y. Ohkawa
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 号: 0 ページ: 1303003-1303003
  • DOI: 10.1585/pfr.11.1303003
  • NAID: 130005311641
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 圧力を含めた簡約化MHDの疑似アニーリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川勝，渡邉孝宏
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] トカマク磁場中の逃走電子のシンクロトロン放射減衰のシミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 松山顕之，古川勝
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Calculation of tokamak equilibrium of high-beta reduced MHD via simulated annealing (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: US-Japan MHD Workshop on “Toward development of integrated studies of 3D magnetic field effects in fusion devices” and 31st ITPA MHD Disruption and Control Topical Group Meeting"
  • 国際学会
• [学会発表] Code development for resistive MHD stability analysis of axisymmetric toroidal plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa, N. Aiba
  • 学会等名: The 23rd NEXT workshop
• [学会発表] Simulated annealingof steady state for two-dimensional high-beta reduced MHD (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, M. Furukawa
  • 学会等名: The 23rd NEXT workshop
• [学会発表] 3次元低ベータ簡約化MHDのアニーリング シミュレーションにおける緩和経路の考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Implementation of implicit Runge-Kutta method via Jacobian-free Newton-Krylov algorithm for simulated annealing of 3D low-beta reduced MHD (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: The 22nd NEXT workshop
  • 発表場所: 京都テルサ（京都市）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] Numerical analysis of particle motion and chaotic magnetic field lines in three dimensional magnetic field (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohkawa and M. Furukawa
  • 学会等名: The 22nd NEXT workshop
  • 発表場所: 京都テルサ（京都市）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] Novel computational methods for relativistic runaway electrons (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Matsuyama and M. Furukawa
  • 学会等名: Novel computational methods for relativistic runaway electrons
  • 発表場所: 京都テルサ（京都市）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] Development of ERMHDT code for linear stability of resistive MHD (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa, N. Aiba
  • 学会等名: Plasma Conference 2017（日本物理学会（領域2）2017年秋季大会，応用物理学会 第34回プラズマプロセシング研究会，プラズマ・核融合学会第34回年会，第30回プラズマ材料科学シンポジウム）
• [学会発表] Stability of equilibria obtained by simulated annealing of three-dimensional low-beta reduced (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: Plasma Conference 2017（日本物理学会（領域2）2017年秋季大会，応用物理学会 第34回プラズマプロセシング研究会，プラズマ・核融合学会第34回年会，第30回プラズマ材料科学シンポジウム）
• [学会発表] Splitting method for relativistic charged particle orbit tracing in magnetized plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Matsuyama and M. Furukawa
  • 学会等名: Plasma Conference 2017（日本物理学会（領域2）2017年秋季大会，応用物理学会 第34回プラズマプロセシング研究会，プラズマ・核融合学会第34回年会，第30回プラズマ材料科学シンポジウム）
• [学会発表] Computation of steady state by simulated annealing applied to two-dimensional reduced MHD (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, M. Furukawa
  • 学会等名: Plasma Conference 2017（日本物理学会（領域2）2017年秋季大会，応用物理学会 第34回プラズマプロセシング研究会，プラズマ・核融合学会第34回年会，第30回プラズマ材料科学シンポジウム）
• [学会発表] Linear Analysis of the Resistive MHD Response in a One-dimensional Slab Plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Maekawa, M. Furukawa
  • 学会等名: Plasma Conference 2017（日本物理学会（領域2）2017年秋季大会，応用物理学会 第34回プラズマプロセシング研究会，プラズマ・核融合学会第34回年会，第30回プラズマ材料科学シンポジウム）
• [学会発表] Helically deformed MHD equilibrium as lower-energy state via simulated annealing (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: 1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 3次元低ベータ簡約化MHDの疑似アニーリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: MHD研究会(平成29年度NIFS共同研究 研究会「MHDシミュレーションのための先進的数値計算手法」)
• [学会発表] 1次元スラブプラズマに浸透する外的な摂動磁場のAlfven共鳴と平衡流速によるDopplerシフト (2017)
  • 著者名/発表者名: 前川哲也，古川勝
  • 学会等名: MHD研究会(平成29年度NIFS共同研究 研究会「MHDシミュレーションのための先進的数値計算手法」)
• [学会発表] A new method for 3D MHD equilibrium calculation via Hamiltonian field theory (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: Tohoku Forum for Creativity, Nonlinear PDE for Future Applications - Evolution Eq. and Mathematical Fluid Dynamics -
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 3次元的な磁気流体力学平衡の新しい計算法の提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: 第19回 日本流体力学会 中四国・九州支部講演会
• [学会発表] "Simulated annealing for 3D MHD equilibrium calculation - some consideration on relaxation path " (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: Japan-Korea fusion corporation program, Satellite Meeting on “Physics validation and control of turbulent transport and MHD in fusion plasmas”
  • 国際学会
• [学会発表] 弱く非線形な抵抗性MHDモードに対する数値接続法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: MHD研究会(平成28年度NIFS共同研究 研究会「アルヴェン固有モードに関連したMHD現象の研究」)
  • 発表場所: 核融合科学研究所（土岐市）
  • 年月日: 2016-12-13
• [学会発表] 2次元低ベータ簡約化 MHD に適用したアニーリングシミュレーションの緩和経路 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邉孝宏，古川勝
  • 学会等名: MHD研究会(平成28年度NIFS共同研究 研究会「アルヴェン固有モードに関連したMHD現象の研究」)
  • 発表場所: 核融合科学研究所（土岐市）
  • 年月日: 2016-12-13
• [学会発表] Simulated annealing for three-dimensional equilibrium calculation of low-beta reduced MHD in cylindrical geometry (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: Joint JIFT workshop on "Extended MHD and MHD simulations for magnetized plasmas" and "Theory and simulation of 3D physics in toroidal plasmas - comparison to experiments"
  • 発表場所: 京都大学 吉田キャンパス
  • 年月日: 2016-10-25
  • 国際学会
• [学会発表] Extension of numerical matching method to weakly nonlinear regime ― beyond the Rutherford theory of magnetic island evolution (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa, S. Tokuda
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] アニーリングシミュレーションによる 3次元低ベータ簡約化MHDの定常状態計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Simulated annealing for computing stationary state of ideal MHD (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: JOINT VARENNA - LAUSANNE INTERNATIONAL WORKSHOP "THEORY OF FUSION PLASMAS"
  • 発表場所: Varenna, Italy
  • 年月日: 2016-08-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-accuracy numerical integrator for general dynamical systems using vector-field decomposition and reccurence formula (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: The 21st NEXT workshop
  • 発表場所: 京都テルサ
  • 年月日: 2016-03-10
• [学会発表] Numerical integration of chaotic magnetic field line trajectory (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohkawa and M. Furukawa
  • 学会等名: The 21st NEXT workshop
  • 発表場所: 京都テルサ
  • 年月日: 2016-03-10
• [学会発表] Simulated annealing for calculating steady state of ideal MHD (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Furukawa
  • 学会等名: US-Japan MHD Workshop on “Fundamental understanding of 3-D magnetic field effect for further optimization of operation scenarios for fusion devices”

  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2016-03-07
• [学会発表] 核融合プラズマの磁気流体力学研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 古川勝
  • 学会等名: 2015 年度 第 2 回 日本流体力学会 中四国・九州支部講演会
  • 発表場所: 鳥取大学 湖山キャンパス
  • 年月日: 2015-11-28