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

• 研究課題/領域番号: 16K17847
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: プラズマ科学
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 多階層 / 磁気リコネクション / 不安定性 / 球状トカマク / 多階層モデル / 圧力駆動型不安定性 / 粒子モデル / プラズマ加熱 / 多階層シミュレーション

研究成果の概要

マクロ階層とミクロ階層を無矛盾に解く多階層シミュレーションモデルの開発、改良を、実空間分割型とパラメータ組み込み型の2種に分けて行った。同時に、多階層モデルの基盤を支えるため、磁気リコネクション下流の物理を詳しく解明した。実空間分割型では、階層の自動切り替え、中間階層の挿入、マクロ階層手法の拡張などの改良を行った。パラメータ組み込み型では、粒子モデルを用いてドリフトキンク不安定性等の運動論効果をモデリングした。一方では球状トカマク合体の装置内全系に近い粒子シミュレーションを行い、グローバルなプラズマの振る舞いを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

多階層シミュレーションは、気象学、宇宙天気予報、医学、自動車設計などの工学についても有効な手段である。開発・改良された多階層モデルには様々な分野への適用につながる汎用的な側面が多い。また、多階層モデルを支える基礎として、磁気リコネクションに関する知見を積み上げた。磁気リコネクションは様々なプラズマで起こるエネルギー解放過程であるため、それら多くの分野の研究が大きく前進する。特に「非熱平衡状態にマクスウェル分布と酷似した速度分布が形成される」という成果は、既存の知見へ影響が極めて大きいものである。

研究成果

• [雑誌論文] Pseudo-Maxwellian Velocity Distribution Formed by the Pickup-like Process in Magnetic Reconnection (2022)
  • 著者名/発表者名: Usami Shunsuke、Horiuchi Ritoku
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 9
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.846395
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] プラズマシミュレータ雷神とプラズマ・核融合研究の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石黒静児、沼波政倫、宇佐見俊介
  • 雑誌名: 電気学会誌 巻: 141 号: 10 ページ: 642-645
  • DOI: 10.1541/ieejjournal.141.642
  • NAID: 130008095149
  • ISSN: 1340-5551, 1881-4190
  • 年月日: 2021-10-01
• [雑誌論文] Horn-Shaped Structure Attached to the Ring-Shaped Ion Velocity Distribution during Magnetic Reconnection with a Guide Field (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Usami, R. Horiuchi, H. Ohtani
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 3401137-3401137
  • DOI: 10.1585/pfr.14.3401137
  • NAID: 130007704085
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dependence of the pickup-like ion effective heating on the poloidal and toroidal magnetic fields during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: Usami Shunsuke、Horiuchi Ritoku、Ohtani Hiroaki、Ono Yasushi、Inomoto Michiaki、Tanabe Hiroshi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 号: 10 ページ: 102103-102103
  • DOI: 10.1063/1.5099423
  • NAID: 120007149367
  • 査読あり
• [雑誌論文] PIC Simulation Study of Merging Processes of Two Spheromak-Like Plasmoids (2018)
  • 著者名/発表者名: Ritoku HORIUCHI, Toseo MORITAKA and Shunsuke USAMI
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 3403035-3403035
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3403035
  • NAID: 130007396424
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2018-04-24
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effective Proton Heating through Collisionless Driven Reconnection in the Presence of Guide Field (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, Yasushi Ono, Hiroshi, Tanabe
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 3401025-3401025
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3401025
  • NAID: 130006744398
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2018-04-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of the Multi-Hierarchy Simulation Model Based on the Real-Space Decomposition Method (2018)
  • 著者名/発表者名: Usami Shunsuke、Horiuchi Ritoku、Ohtani Hiroaki、Den Mitsue
  • 雑誌名: Plasma 巻: 1 号: 1 ページ: 90-104
  • DOI: 10.3390/plasma1010009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Energy transfer and electron energization in collisionless magnetic reconnection for different guide-field intensities (2018)
  • 著者名/発表者名: Pucci F.、Usami S.、Ji H.、Guo X.、Horiuchi R.、Okamura S.、Fox W.、Jara-Almonte J.、Yamada M.、Yoo J.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 号: 12 ページ: 122111-122111
  • DOI: 10.1063/1.5050992
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effective heating of nonadiabatic protons in magnetic reconnection with a guide field (2017)
  • 著者名/発表者名: Usami Shunsuke、Horiuchi Ritoku、Ohtani Hiroaki
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 号: 9 ページ: 092101-092101
  • DOI: 10.1063/1.4997453
  • NAID: 120007149368
  • 査読あり
• [学会発表] Particle Simulation on Merging Processes of Two Spherical Tokamak-Type Plasmoids in a Conducting Vessel (2021)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Toseo Moritaka, Yasushi Ono, Michiaki Inomoto, Hiroshi Tanabe
  • 学会等名: The 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on ion heating through the merging of spherical tokamaks by means of particle simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Toseo Moritaka, Yasushi Ono
  • 学会等名: The 40th JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2021)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおける疑似マクスウェル速度分布の形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2021
• [学会発表] 磁気リコネクションにおけるイオンの特異な速度分布と加熱機構の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、銭谷誠司、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Non-Maxwellian Velocity Distribution Formed by Pick-Up-Like Behaviors of Protons during Magnetic Reconnection (2020)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: The 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 粒子シミュレーションによる磁気リコネクション加熱機構研究の進展 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: ひので・実験室研究会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおける特異な速度分布に関するシミュレーション研究の進展 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 駆動型磁気リコネクションにおけるピックアップライクなイオン運動と加熱 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Formation of anomalous velocity distribution based on the pickup-like ion motions during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: Hinode-13/IPELS 2019 (the 13-th symposium of the Hinode mission and the 15-th symposium of IPELS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 駆動型磁気リコネクション下流で形成されるイオンの異常速度分布関数 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2019
• [学会発表] Anomalous Velocity Distributions Formed by Pick-Up-Like Protons in Magnetic Reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: 61st Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Strange Shapes of Ion Velocity Distribution during Magnetic Reconnection in the Presence of a Guide Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: The 28th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気リコネクション下流における水素イオンの異常速度分布形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおけるイオン実効的加熱の磁場成分依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Formation of ring-like ion velocity distribution through magnetic reconnection with a guide field (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: 19th International Congress on Plasma Physics (ICPP2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Particle Simulation Studies on Ion Effective Heating through Merging Plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, Yasushi Ono, M. Inomoto, H. Tanabe
  • 学会等名: The 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Particle Simulation Studies on Effective Ion Heating during Magnetic Reconnection (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, and Yasushi Ono
  • 学会等名: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extension of the ion effective heating process during magnetic reconnection with guide field (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: The 27th International Toki Conference & The 13th Asia Pacific Plasma Theory Conference (ITC27 & APPTC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] PIC simulation and extended theory on ion pickup-like heating in guide filed reconnection (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, Yasushi Ono
  • 学会等名: The 2018 US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおけるイオン加熱のポロイダル・トロイダル磁場依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2018
• [学会発表] 磁気リコネクションにおけるピックアップライクなイオン加熱のシミュレーションと拡張理論 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 宇治リコネクションワークショップ2018（兼 太陽圏物理研究会 第4回研究集会）
• [学会発表] ガイド磁場磁気リコネクションにおけるリング状速度分布の形成 －水素イオンのピックアップライクな運動－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 平成29年度ISEE太陽圏宇宙線共同研究集会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおける水素イオンのリング状速度分布の形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Studies on proton effective heating in magnetic reconnection by means of particle simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, and Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: The US-Japan Workshop and School on Magnetic Reconnection (MR2017)
  • 発表場所: Himegin Hall, Matsuyama, Japan
  • 年月日: 2017-03-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective proton heating through magnetic reconnection in the presence of guide field (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, and Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: 7th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space and Astrophysical Plasmas (EASW-7)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Studies on Magnetic Reconnection by Means of Multi-Hierarchy Simulations based on Real-Space Decomposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, Mitsue Den, and Tomoya Ogawa
  • 学会等名: US-Japan Joint Institute for Fusion Theory (JIFT) Workshop on Multiscale Methods in Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 駆動型磁気リコネクションにおける水素イオン実効的加熱機構の探求 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2017
• [学会発表] 磁気リコネクション下流におけるイオンリング状速度分布の形成過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 宇治リコネクションワークショップ2017（兼 太陽圏物理研究会 第2回研究集会）
• [学会発表] ガイド磁場磁気リコネクションにおけるイオン実効的加熱 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Effective proton heating through collisionless driven reconnection in the presence of guide field (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, Yasushi Ono, and Hiroshi Tanabe
  • 学会等名: The 26th International Toki Conference & The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference
  • 国際学会
• [学会発表] ガイド磁場磁気リコネクションにおけるイオン加熱の粒子シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（仙台市）
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] Reconnection Heating Experiments and Simulations for Torus Plasma Merging Startup (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気リコネクションにおけるイオン実効的加熱のシミュレーション研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 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（金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 磁気リコネクション下流におけるイオン加熱機構の粒子シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2016
  • 発表場所: 核融合科学研究所（土岐市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] Macro- and microscopic physics of collisionless driven reconnection (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Tomoya Ogawa, Hiroaki Ohtani, and Mitsue Den
  • 学会等名: 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP2016)
  • 発表場所: aohsiung Exhibition Center, Kaohsiung, Taiwan
  • 年月日: 2016-06-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 数値実験炉研究プロジェクト
  • URL: http://nsrp.nifs.ac.jp/index.html
• [備考] 基礎物理シミュレーション研究系
  • URL: http://fps.nifs.ac.jp/index.html