エネルギー開放系における構造形成のダイナミックスと自己組織化

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13640414
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 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, 教授 (00229220)
• 研究分担者: 大谷 寛明 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 (90332189) ; 石黒 静児 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 (10193301)
• キーワード: エネルギー開放系 / 構想形成 / 無衝突磁気リコネクション / 磁場反転配位 / 電磁粒子シミュレーション / 自己組織化 / リコネクション解の還移 / 平衡配位の自己緩和

研究概要

この研究では、具体的な問題として、1)エネルギー開放系における無衝突駆動磁気リコネクション、および、2)磁場反転配位(FRC)におけるProfile consistencyと呼ばれる自己組織化現象を取り上げ、電磁粒子シミュレーション手法により、構想形成のダイナミックスと自己組織化の物理過程の解析を行った。シミュレーション手法としては、共に、荷電粒子と電磁場との相互作用を自己無撞着に解くことのできる電磁粒子シミュレーション手法を採用した。
1)無衝突磁気リコネクションは、リコネクションの直接の原因である電気抵抗を生み出すミクロな物理過程と系外とのエネルギーの入出力を制御するマクロな物理過程の両者によって支配されており、その結果としてグローバルな構造形成過程が決まっている。この課題では、まず、エネルギー開放系の設定として、上流境界からプラズマ流入によるエネルギーの供給を、下流境界から生成されたエントロピーの排出を行うための物理条件を課し、そのための具体的なシミュレーションモデルを構築した。長時間シミュレーションの結果、系外から流入するプラズマの空間スケールをコントロールすることにより、安定な空間構造をもった定常リコネクション解から、間欠的に磁気島の発生を伴なう非定常リコネクション解へと遷移することが明らかとなった。
2)磁気流体平衡配位で与えられるFRCプラズマが運動論的平衡配位へと自己緩和する過程を2次元粒子シミュレーションにより追跡し、形成された配位とFRC実験との比較解析を行った。得られた運動論的平衡配位において電子とイオンで異なる電流の空間構造が形成された。電子電流は、磁気中性線近傍での磁場勾配ドリフトと磁気セパラトリックス近傍でのEXBドリフトの結果、磁気中性線近傍で凹型形状となる電流配位に、イオン電流は大きな振幅の蛇行軌道が磁気中性線近傍に存在するため凸型形状の電流配位になることが明らかとなった。また、この傾向はFRCプラズマが運動論的になるにつれ強められることも分かった。

研究成果

• [文献書誌] R.Horiuchi, W.Pei, T.Sato: "Collisionless Driven Reconnection in an Open System"Earth, Planets and Space. Vol.53. 439-445 (2001)
• [文献書誌] W.Pei, R.Horiuchi, T.Sato: "Long Time Scale Evolution of Collisionless Driven Reconnection in a Two-Dimensional Open System"Physics of Plasmas. Vol.8. 3251-3257 (2001)
• [文献書誌] H.Naito, T.Matsumoto, Y.Todo, R.Horiuchi: "Kinetic Effects on Magnetohydrodynamic Phenomena"J. of Plasma and Fusion Research. Vol.77. 547-556 (2001)
• [文献書誌] W.Pei, R.Horiuchi, T.Sato: "Ion Dynamics in Steady Collisionless Driven Reconnection"Physical Review Letters. 87・23. 235003-1-235003-4 (2001)
• [文献書誌] T.Kaneko, R.Hatakeyama, N.Sato, S.Ishiguro: "Plasma confining potential self-consistently formed by local electron cyclotron resonance in a well-shaped magnetic field,, 2002, in press"Physics of Plasmas. Vol.9(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] W.Oohara, S.Ishiguro, R.Hatakeyama, N.Sato: "Dynamic Evolution of Plasma Structure Due to Local Production of Massive Negative Ions"J. Phys. Soc. Jpn.. Vol.71(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] T.Ishimori, T.Kaneko, S.Ishiguro, R.Hatakeyama, N.Sato: "Particle Simulation of Potential Formation Due to Local ECR along Diverging Magnetic-Field Lines"Journal of Plasma and Fusion Research. Vol.IV(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] H.Ohtani, R.Horiuchi, T.Sato, H.Kawabuchi: "Particle Simulation Study on Profile Relaxation in Field-Reversed Configurations"Journal of Plasma and Fusion Research. Vol.5(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] R.Horiuchi, W.Pei, T.Sato: "Dynamical Behavior of Collisionless Driven Reconnection"Bulletin of the American Physical Society. DPP. 144 (2001)
• [文献書誌] H.Ohtani, R.Horiuchi, T.Sato, H.Kawabuchi: "Self-Generation Process of Hollow Current Profile in a Field-Reversed Configuration"Bulletin of the American Physical Society. DPP. 162 (2001)
• [文献書誌] R.Horiuchi, W.Pei, T.Sato: "Two-dimensional and three-dimensional particle simulation studies of driven reconnection in a collisionless open system"Proceedings of ISSS6. 42-44 (2001)
• [文献書誌] R.Horiuchi, W.Pei, T.Sato: "Two Dynamical Regimes of Collisionless Driven Reconnection in an Open System"Proceedings of IPELS-2001. 13-16 (2001)
• [文献書誌] H.Ohtani, R.Horiuchi, T.Sato: "Self-organization of profiles in field-reversed configuration"Proceedings of IPELS-2001. 153-154 (2001)