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近相対論レーザープラズマ相互作用の運動論を考慮した放射流体シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 22K03567
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分14010:プラズマ科学関連
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)

研究分担者 城崎 知至  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10397680)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードレーザープラズマ / 輻射流体力学シミュレーション / レーザープラズマ相互作用 / 輻射流体シミュレーション / 放射流体シミュレーション / 近相対論レーザープラズマ相互作用 / 運動論シミュレーション / 非局所電子熱伝導
研究開始時の研究の概要

レーザープラズマのシミュレーション手法は、プラズマを連続体と近似した流体方程式を基礎方程式とする手法と、電子・イオンの粒子運動を考える運動論的手法に大別できる。放射流体シミュレーションに運動論効果モデルを導入することによって近相対論LPI領域の数値解析を向上させる。高速電子の発生源を運動論に基づくシミュレーションによって物理的特性を分類し、高速電子発生モデルを構築する。また、流体シミュレーション手法と親和性の良いフォッカー・プランク方程式を基にした簡易的な高速電子輸送解法を新たに開発することによって近相対論LPIを伴う領域を含むプラズマの流体シミュレーションを一貫して行えるようにする。

研究実績の概要

近相対論レーザープラズマ相互作用を考慮した数値モデルを構築、レーザープラズマの輻射流体シミュレーションコードへの組み込みのための研究を進めました。今年度は、昨年に引き長尺な密度分布下における誘導ラマン散乱によるレーザーエネルギーのプラズマによる吸収率の密度スケールとレーザー強度依存性についてデータ収集をすすめ、そのデータベースを基に準定常的な簡易的なモデル式を構築しました。一般的な相対論レーザープラズマ相互作用に比べ、現象を伴う時間が長いことが明らかになり、将来的には時間依存モデルを導出できたら解析精度をさらに向上させることができるのではないかと思われます。

輻射流体コードとの結合においては、前者の高速電子の発生のモデリングと同様に高速電子の輸送方程式のモデル化も重要です。前年度に開発した簡易フォッカー・プランク方程式コードの完全陰解法手法を導入したコードを整備したものの、数値的な不安定性が完全に除去できませんでした。その原因を調査した結果、導入した電場の分布の計算手法に修正が必要なことが明らかになりました。その改善に努めるとともに、修正のモデルとの整合性、妥当性について検討を進めました。将来的には、これらの数値モデルを3次元コードに組み込むことも必要と考え、ベースとなる3次元コードの開発も行いました。

国際原子力機関主催の核融合エネルギー会議(IAEA/FEC)において、近相対論レーザープラズマ相互作用モデリングが必要となるレーザー強度領域を活用する高密度圧縮手法の最適化に関する研究成果の発表を行いました。また、日本物理学会、およびプラズマ・核融合学会の国内学会の年会等に参加し、本研究による成果の発表、関連する情報収集に努めました。そのための旅費、参加費を支出しました。

現在までの達成度 (区分)
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

これまでの運動論シミュレーションによるデータベース、数値モデル構築のうち、データベース構築を中心にほぼ順調に進んでいます。ただし、得られたデータが想定していた以上に複雑な振る舞いをしている部分があり、追加課題として2次元シミュレーションを実施する準備を進めてきました。また、高速電子輸送方程式解法については、電場計算項の取り扱いに課題が見つかりこの対応に当初計画より時間を要しました。

今後の研究の推進方策

2次元シミュレーションによる空間構造の解明とそれを加味した数値モデルの構築も必要でこのための準備を進めています。また、輸送方程式における電場の項については、数値的な不安定性の要因になっていることから早急に見直し、安定な手法に改良します。令和6年度にはそれらを含む発生から輸送までを考慮した簡易フォッカー・プランク方程式解法の完成を目指しています。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Effects of hydrogen concentration in ablator material on stimulated Raman scattering, two-plasmon decay, and hot electrons for direct-drive inertial confinement fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Kawasaki K.、Cristoforetti G.、Idesaka T.、Hironaka Y.、Tanaka D.、Batani D.、Fujioka S.、Gizzi L. A.、Hata M.、Johzaki T.、Katagiri K.、Kodama R.、Matsuo S.、Nagatomo H.、Nicolai Ph.、Ozaki N.、Sentoku Y.、Takizawa R.、Yogo A.、Yamada H.、Shigemori K.
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 号: 3 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.033051

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Prediction of the superimposed laser shot number for copper using a deep convolutional neural network2023

    • 著者名/発表者名
      Rani K.、Ozaki N.、Hironaka Y.、Hashimoto K.、Kodama R.、Mukai K.、Nakamura H.、Takai S.、Nagatomo H.
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31 号: 15 ページ: 24045-24045

    • DOI

      10.1364/oe.491420

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of nanocrystalline diamond capsules by hot-filament chemical vapor deposition for direct-drive inertial confinement fusion experiments2023

    • 著者名/発表者名
      Kawasaki K.、Yamada H.、Nagatomo H.、Hironaka Y.、Yamanoi K.、Tanaka D.、Idesaka T.、Mokuno Y.、Chayahara A.、Shimaoka T.、Mima K.、Somekawa T.、Tsukamoto M.、Sato Y.、Iwamoto A.、Shigemori K.
    • 雑誌名

      Diamond and Related Materials

      巻: 135 ページ: 109896-109896

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2023.109896

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstration of efficient relativistic electron acceleration by surface plasmonics with sequential target processing using high repetition lasers2023

    • 著者名/発表者名
      Arikawa Yasunobu、Morace Alessio、Abe Yuki、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Yogo Akifumi、Matsuo Kazuki、Nakai Mitsuo、Nagatomo Hideo et al.
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 号: 1 ページ: 013062-013062

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.013062

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dependence of resistivity gradient guiding of laser-driven relativistic electron beams on laser intensity and duration2022

    • 著者名/発表者名
      Johzaki T.、Yoshitake K.、Endo T.、Kim W.、Fujioka S.、Nagatomo H.、Morita H.、Takizawa R.、Takemura M.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 29 号: 11 ページ: 112707-112707

    • DOI

      10.1063/5.0101615

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] レーザーパワーディップを考慮した中実球爆縮による高密度圧縮手法2024

    • 著者名/発表者名
      長友英夫
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Formation of high areal density fuel core using an efficient and robust implosion method for fast ignition2023

    • 著者名/発表者名
      Hideo NAGATOMO
    • 学会等名
      International Atomic Energy Agency, Fusion Energy Conference
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3次元レーザープラズマシミュレーションコードにおける光線追跡コードの開発と数値解析2023

    • 著者名/発表者名
      長友英夫
    • 学会等名
      第40回プラズマ・核融合学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高エネルギー密度科学のための3次元レーザープラズマ流体シミュレーションコードの開発2023

    • 著者名/発表者名
      長友英夫
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 簡易フォッカー・プランク方程式モデルを考慮した輻射流体シミュレーションコード開発(2)2023

    • 著者名/発表者名
      長友英夫
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Improvement of Radiation Hydrodynamic Simulation code for High Energy Density Sciences2022

    • 著者名/発表者名
      Nagatomo, H.
    • 学会等名
      OPICS & PHOTONICS International Congress 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 簡易フォッカー・プランク方程式モデルを考慮した輻射流体シミュレーションコード開発2022

    • 著者名/発表者名
      長友英夫
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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