運動論に基づく非線形高強度レーザー照射モデルを考慮した輻射流体シミュレーション

• 研究課題/領域番号: 17K05728
• 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: プラズマ科学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 長友 英夫 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10283813)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 交付(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); 2019年度 : 1,300千円 (直接経費 : 1,000千円、間接経費 : 300千円); 2018年度 : 1,430千円 (直接経費 : 1,100千円、間接経費 : 330千円); 2017年度 : 1,820千円 (直接経費 : 1,400千円、間接経費 : 420千円)
• キーワード: 輻射流体シミュレーション / 運動論的効果 / 高速電子輸送 / レーザープラズマ相互作用 / 高エネルギー密度科学 / 計算物理 / レーザープラズマ / 輻射流体力学

研究実績の概要

固体に高強度レーザーを照射した場合のプラズマ輻射流体コードによる運動論的な効果を考慮したシミュレーションコードの開発に着手した。すなわち、通常の流体シミュレーションでは、電子輸送は移流項と古典的な電子熱伝導項のみを考慮しているが、本課題ではプラズマ輻射流体コードに高速電子の影響を考慮したモデルを組み込むことによって、その適用限界を広げるための物理の把握とモデル化が研究対象となっている。平成２９年度は主に以下の２点の開発作業を行った。
高速電子発生のデータベース構築については、１次元電磁粒子シミュレーション(PIC)シミュレーションコードを利用して非線形レーザープラズマ相互作用のシミュレーションに着手した。特に、流体計算用に幅広いパラメータ領域でのデータベースを構築する必要があり多くの計算が必要である。一方で、流体シミュレーションとPICシミュレーションとの時間、および空間スケールが大きく異なることから、１次元計算にも関わらず比較的大規模計算が必要であることから、PICコードのデータ収集向けにする改良作業を行った。
一方、輻射流体コードについては、これまでに開発済の非局所電子熱伝導モデルについて、多群拡散近似方程式を解くSNBモデルをベースに高速電子の外部ソースを与える手法について検討を行った。その結果、拡散の影響でやや等方的な伝搬をする傾向があることが分かった。境界条件の設定、あるいは高次の拡散モデル(M1モデル)の導入によって改善される可能性があることも分かった。これらを踏まえ、コードの改良を行った。特に、磁場の高速電子への影響を考慮するための開発も行った。

現在までの達成度 (区分)

2 :  おおむね順調に進展している

理由

高速電子の発生に関するデータベース構築については、１次元PICコードを本課題で必要となるデータの部分抽出方法の調整・開発に難航し、時間を要したことからデータベースの構築作業に着手する時期にも遅れが生じた。しかしながら、この作業については、次年度に集中的に行うことによって必要なデータの収集は可能であると見積もっている。なお、この遅れのため計算機資料料の一部が未使用となり、次年度へ繰り越すことになった。
一方、ベースとなる輻射流体シミュレーションコードについては、当初は２年目に行う予定であったデータベースの組み込みのための準備作業は当初計画より順調に進んでいる。
よって、これらの開発研究状況を総合的に判断するとほぼ計画通りに進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

非線形レーザープラズマ相互作用を1次元PICシミュレーションによって、高速電子の発生に関するデータベース構築作業を早急に行っていく。そのうえで、レーザーエネルギーの吸収、散乱、反射など輻射流体シミュレーションで必要となる物理量を取り込む簡易モデルを開発、構築する予定である。
この組み込みには、輻射流体コードにおける熱伝導項の修正による数値的な問題が想定される。平成29年度に行った拡散モデル(SNBモデル)の組み込み時に、検証した範囲では比較的ロバストであることが分かった。このため、早い時期に組み込むとともに、一貫した統合シミュレーションのテストを実施したいと考えている。これらの計算には、前年度からの繰り越し分を加えた上で、大阪大学サイバーメディアセンターの計算機の使用時間を購入し、計算する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Compression and electron beam heating of solid target under the external magnetic field for fast ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, K. Matsuo, S. Lee, A. Sunahara, H. Sakagami, K. Mima, K. Iwano, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
  • 雑誌名: NUCLEAR FUSION 巻 : 57 ページ : 086009-086009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa74f0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetohydrodynamics of laser-produced high-energy-density plasma in a strong external magnetic field (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuo, H. Nagatomo, Z. Zhang, P. Nicolai, T. Sano, S. Sakata, S. Kojima, S. Ho Lee, K.F.F. Law, Y. Arikawa, Y. Sakawa, T. Morita, Y. Kuramitsu, S. Fujioka, H. Azechi
  • 雑誌名: Physical Review E 巻 : 95 ページ : 053204-053204
  • DOI: 10.1103/physreve.95.053204
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Validation of thermal conductivity in magnetized plasmas using particle-in-cell simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Asahina, H. Nagatomo, A. Sunahara, T. Johzaki, M. Hata, K. Mima, Y. Sentoku
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻 : 24 ページ : 042117-042117
  • DOI: 10.1063/1.4981233
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • 著者名/発表者名: T Johzaki, H Nagatomo, A Sumahara, Y Sentoku, H Sakagami, M Hata, T Taguchi, K Mima, Y Kai, D Ajimi, T Isoda, T Endo, A Yogo, Y Arikawa, S Fujioka, H Shiraga and H Azechi
  • 雑誌名: PlasmaPhysicsControlFusion 巻 : 59 ページ : 014045-014045
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0741-3335/59/1/014045/meta
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fast ion acceleration in a foil plasma heated by a multi-picosecond high intensity laser (2017)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Iwata, Kunioki Mima, Yasuhiko Sentoku, Akifumi Yogo, Hideo Nagatomo, Hiroaki Nishimura, and Hiroshi Azechi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻 : 24
  • DOI: 10.1063/1.4990703
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses (2017)
  • 著者名/発表者名: 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, SV Bulanov, K Kondo, H Azechi
  • 雑誌名: Scientific Report 巻 : 7 ページ : 42451-42451
  • DOI: 10.1038/srep42451
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [学会発表] High-rhoR target design relevant to Fast Ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, H. Sakagami, K. Mima
  • 学会等名: International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Validation of non-local electron heat conduction model for radiation MHD simulation in magnetized laser plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Asahina, K. Matsuo, S. Fujioka, Ph. Nicolai, T. Johzaki
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Effect of external and self-generated magnetic field in formation of pre-plasma due to the pre-pulse of ultra-intense laser (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Asahina, A. Sunahara, K. Mima, R. Hanayama
  • 学会等名: OPIC/LANSA’17
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，砂原淳, 城崎知至
  • 学会等名: 72回日本物理学会年次大会
• [学会発表] 高速電子を考慮した電子熱伝導モデルの輻射流体シミュレーションへの導入 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫、朝比奈隆志、松尾一輝、藤岡慎介, 城﨑知至
  • 学会等名: PLASMA CONFERENCE 2017
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] 磁場中の非局所電子熱伝導モデルを導入した輻射流体シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，城崎知至
  • 学会等名: 第31数値流体力学シンポジウム