プラズマ系を中心とする複雑性の科学構築のための国際共同研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08044109
• 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, 教授 (80025395)
• 研究分担者: OKUDA H. プリンストンプラズマ物理研究所, 教授 ; ZABUSKY N.J. ラトガース大学, 画像解析モデリング研究所, 教授 ; 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) ; 渡邉 國彦 核融合科学研究所, 計算機センター, 教授 (40220876) ; 林 隆也 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 教授 (60156445)
• キーワード: プラズマ / 複雑性の科学 / 自己組織化 / 構造形成 / 磁気流体シミュレーション / 粒子シミュレーション / 可視化システム / エントロピー

研究概要

本年度は、延べ8名の研究者を米国、チェコ共和国、イタリアに派遣し、米国より1名の研究者を日本に招聘することにより、シミュレーション手法・理論解析手法による、プラズマ系で生起する複雑現象の解析、他の自然科学の分野で個別に行われてきた複雑系に対する研究の成果や問題点の系統的分析・整理、複雑系に共通する普遍則の探求などの国際共同研究活動を行ってきた。
この研究計画により得られた主な成果を以下に列記する。
1)磁気流体ダイナモのシミュレーション研究では、双極子磁場構造の形成・維持機構を解明するとともに、磁場極性の逆転現象が突然発生することをはじめて実証した。
2)磁気流体シミュレーションを用いた低ベータプラズマであるスフェロマックの合体実験により、高ベータプラズマである磁場逆転配位が形成されることを見出した。
3)無衝突磁気リコネクションの粒子シミュレーション解析を行い、磁気リコネクションに伴って発生する電場の電磁成分と静電成分の役割とイオンの異常加熱の関係を明らかにした。
4)開放系における微視的秩序構造形成過程である電気二重層の粒子シミュレーションを実行し、形成される秩序構造が生成されたエントロピーを排出する機能が存在するか否かによって大きく異なることを明らかにした。
5)ダストプラズマにおいて、ダイナミックな帯電過程を含む粒子シミュレーションを実行し、微粒子凝固(構造形成)が発生するための条件を明らかにした。
6)高温でランダムな高分子鎖が冷却される際に見られる配向秩序構造の形成過程を、分子動力学シミュレーションにより解明し、局所配向秩序クラスタが階段状に発展すること、最終的な秩序構造として6角柱結晶構造が形成されることを見出した。
7)複雑プラズマ系を表現するための3次元仮想現実装置システムCompleXcopeを構築し、それを用いて複雑なヘリカル状プラズマ閉じ込め装置LHDでの磁場構造、圧力構造、粒子軌道等を立体表現するための可視化ツールの開発を行った。

研究成果

• [文献書誌] S.V.Bazdenkov: "Topological Transformations in Isolated Straight Magnetic Flux Tube" Astrophys.J.(発表予定). (1998)
• [文献書誌] Y.Todo.: "Particle Algorithm for Linear Kinetic Analysis in Tokamak Plasmas" J.Comp.Phys.(発表予定). (1998)
• [文献書誌] H.Kitauchi: "Intensification of Magnetic Field by Concentrate-and-Stretch of Magnetic Flux Lines" Phys.Fluids. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] S.Goto: "Direct-interaction approximation and Reynolds-number reversed expansion for a dynamical system" Physica D. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] Y.Suzuki: "Three-dimensional Simulation Study of Spheromak Injection into Helical Plasmas" J.Plasma Fusion Res.(発表予定). (1998)
• [文献書誌] K.Watanabe: "Computer Simulation Studies of Dust Charging and Coagulation Processes in Dusty Plasmas" Plasma Phys.Control.Fusion. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] Y.Todo: "Linear and Nonlinear Particle-Magnetohydrodynamic Simulations of the Toroidal Alfven Eigenmode" Phys.Plasmas. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] 陰山 聡: "理論解析結果の可視化" プラズマ核融合学会誌. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] S.Ishiguro: "Formation of wave-front pattern accompanied by current-driven electrostatic ion-cyclotron instabilities" Phys.Plasmas. 4. 2886-2892 (1997)
• [文献書誌] H.Takamaru: "Intermittent Self-Organization:Nonlinear Responses of Twisting Multiple Flux Tubes" Phys.Plasmas. 4. 2845-2852 (1997)
• [文献書誌] A.Kageyama: "Velocity and magnetic field structures in a magne tohydrodynamic dynamo" Phys.Plasmas. 4. 1569-1574 (1997)
• [文献書誌] D.Biskamp: "Partial reconnection in the nonlinear internal kink mode" Phys.Plasmas. 4. 1326-1329 (1997)
• [文献書誌] T.-H.Watanabe: "Magne tohydrodynamic simulation on co-and counter-helicity merging of spheromaks and driven magnetic reconnection" Phys.^-Plasmas. 4. 1297-1307 (1997)
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Particle Simulation Study of Collisionless Driven Reconnection in a Sheared Magnetic Field" Phys.Plasmas. 4. 277-289 (1997)
• [文献書誌] Y.Todo: "Vlasov-MHD and Particle-MHD Simulations of the Toroidal Alfven Eigenmode" Fusion Energy. 2. 423-430 (1997)
• [文献書誌] M.Takamaru: "A Self-Consistent Open Boundary Model for Particle Simulation in Plasmas" J.Phys.Soc.Jpn.66. 3826-3830 (1997)
• [文献書誌] S.Kida: "Periodic reversals of magnetic field generated by thermal convection in a rotating spherical shell" J.Phys.Soc.Jpn.66. 2194-2201 (1997)
• [文献書誌] K.Yabuki: "Roles of Viscous Membrane in an MHD Self-Organization" J.Phys.Soc.Jpn.66. 2026-2032 (1997)
• [文献書誌] H.Miura: "Identification of Tubular Vortices in turbulence" J.Phys.Soc.Jpn.66. 1331-1334 (1997)
• [文献書誌] A.Kageyama: "Generation mechanism of a dipole field by a magne tohydrodynamic dynamo" Phys.Rev.E. 55. 4617-4626 (1997)
• [文献書誌] S.Ishiguro: "V-Shaped dc Potential Structure Caused by Current-Driven Electrostatic Ion-Cyclotron Instability" Phys.Rev.Lett.78. 4761-4764 (1997)
• [文献書誌] K.Nishimura: "Tilt stabilization by cycling ions crossing magnetic separatrix in a field-reversed configuration" Phys.Plasmas. 4. 4035-4042 (1997)
• [文献書誌] 佐藤 哲也: "現代天文学小事典" 講談社, 10 (1997)
• [文献書誌] 佐藤 哲也: "理化学辞典第5版" 岩波書店(出版予定), (1998)
• [文献書誌] 佐藤 哲也: "原子力用語" 日本原子力産業会議(出版予定), (1998)
• [文献書誌] 佐藤 哲也: "複雑性の科学/新しい科学のパラダイムを探る" 基礎教育会(出版予定), (1998)