プラズマにおける自己組織化のシミュレーション研究

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06044238
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 佐藤 哲也 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, センター長教授 (80025395)
• 研究分担者: BHATTACHARJE エイ アイオア大学, 地球物理学科, 教授 ; GARDNER H.J. オーストラリア国立大学, 国家特別研究員 ; WEISS N.O. ケンブリッジ大学, 応用数学科, 教授 ; BRACKBILL J. ロスアラモス国立研究所, 主任研究員 ; SINDONI E. ミラノ大学, 物理学科, 教授 ; TROYON F. ローザンヌプラズマ物理研究所, 所長 ; KODOMTSEV B. ロシア科学センター, 核融合研究所, 所長教授 ; 木田 重雄 京都大学, 数理解析研究所, 助教授 (70093234) ; 内田 豊 東京理科大学, 物理学科, 教授 (90012814) ; 高丸 尚教 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (20241234) ; 渡辺 智彦 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (30260053) ; 陰山 聡 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (20260052) ; 藤堂 泰 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (00249971) ; 堀内 利得 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助教授 (00229220) ; 渡邊 國彦 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助教授 (40220876) ; 林 隆也 核融合科学研究所, 計算機センター, 助教授 (60156445)
• キーワード: 自己組織化 / 構造形成 / シミュレーション / プラズマ / 磁気流体スケール / 粒子スケール / 磁気リコネクション / トポロジー変化

研究概要

本年度は、延べ9名を米国・オーストラリアに派遣し、磁気流体スケール及び粒子スケールで発生する様々な自己組織化現象の整理・検討を行うと共に、それらに普遍的に存在する物理機構の解明を目指したシミュレーション研究を行った。以下に主な成果を列記する。
1)磁気流体ダイナモ機構解明のためのシミュレーションコードの開発に成功し、回転球殻中の流体のセル状構造発展を明らかにすると共に、この回転セルによる磁場増幅と電気抵抗による磁場拡散の強合現象を通して、大きな空間スケールを持つ強い双極子磁場構造が形成・維持されることを実証した。
2)有限ベータ安定ヘリカル構造を解明するための新たな磁気流体シミュレーションコードの開発にほぼ成功した。
3)開放系静電粒子シミュレーションを行うことにより、イオン音波不安定性による小規模ダブルレイヤ構造の生成とその崩壊を繰り返した後に、この過程で生み出された高速流成分による二流体不安定性によりスーパーダブルレイヤと呼ばれる大規模なポテンシャル構造が生成されることを明らかにした。
4)太陽フレアの現象に見られる、対流運動によってねじられ続ける磁力線のトポロジー変化とその際のエネルギー緩和現象についてのシミュレーションを行い、磁場構造の変化に間欠性と回帰性があることを見いだした。
5)無衝突プラズマ中における磁場構造に変化をもたらす磁気リコネクション機構として、メアンダリング運動と呼ばれるイオンと電子の2つの軌道効果があること、そのため、系の構造が二段階に発展することを明らかにした。
また、上記の知見を基にプラズマだけでなく複雑液体や液晶等における自己組織化を対象として、そこでの普遍的な物理機構を明らかにするためのシミュレーション・理論研究を行ってきている。

研究成果

• [文献書誌] T.Hayashi: "Formation and self-healing of islands in finite-β Helias equilibria" Physics of plasmas. 1. 3262-3268 (1994)
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Particle Simlation Study of Driven Magnetic Reconnection in a Collisionless Plasma" Physics of plasmas. 1. 3587-3597 (1994)
• [文献書誌] Y.Kondo: "Derivations and Comparisons of Three Groups of Self-Organization Theories for Magnetohydrodyamic Plasmas" Journal of The Physical Society of Japan. 63. 1365-1377 (1994)
• [文献書誌] T.Hayashi: "Evolution of magnetic islands in a Heliac" Physics of plasmas. 2. 752-759 (1995)
• [文献書誌] A.Bhattacharjee: "Theory of pressure-induced islands and and self-healing in three-dimensional toroidal magnetohydrodynamic equilibria" Physics of plasmas. 2. 883-888 (1995)
• [文献書誌] T.Hayashi: "Behavior of magnetic islands in 3D MHD equilibria of helical devices" Plsamas Physics and Controlled Fusion. (1995)
• [文献書誌] K.Watanabe: "Current-profile flattening and hot core shift due to the nonlinear develpoment of resistive kink mode" Nuculear Fusion. 35. (1995)
• [文献書誌] H.Amo: "Intermittent energy bursts and recurrent topological change of a twisted magnetic flux tube" Physical Review E. 51. (1995)
• [文献書誌] A.Kageyama: "Computer simulation of a magnetohydrodynamic dynamo II" Physics of Plasmas. 2. (1995)
• [文献書誌] R.V.Reddy: "Impulsive Alfven Coupling between the Fully-Ionized Plasma and the Weakly-Ionized Plsma" Journal of The Physical Society of Japan. 64. 124-135 (1995)
• [文献書誌] 佐藤哲也: "プラズマからみた複雑性の科学" 日本物理学会誌. 50. (1995)