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

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13640414
• 研究機関: 文部科学省核融合科学研究所
• 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: 無衝突磁気リコネクション / エネルギー開放系 / 粒子軌道運動効果 / 低域混成ドリフト不安定性 / ドリフトキンク不安定性 / 外部駆動源 / 磁場反転配位 / 傾斜モード安定化

研究概要

2次元開放系での粒子シミュレーションモデルを用いて、外部駆動源の存在する2次元開放系における構造形成と無衝突磁気リコネクションの要因であるミクロスケール粒子運動論効果との関係を明らかにした。A)系の空間構造の時間発展の仕方に、「定常状態に緩和していく場合」と「間欠的に構造遷移を繰り返す場合」の2通りがあり、これらの分岐は、粒子運動論効果によらず、外部駆動源の空間スケールによって決まっている。B)定常リコネクションの場合、リコネクション率は外部駆動電場によって一律的に決まる。C)また、その場合、イオン軌道運動効果と電子軌道運動効果によって決まる2種類の空間スケールの異なる構造をもった電流層が形成される。D)無衝突リコネクションの誘発機構としては、「粒子慣性効果」は2次的で、「粒子軌道運動効果(メアンダーリング効果)」が支配的である。
これまでに開発してきた2次元開放系での粒子シミュレーションモデルを3次元開放系へ拡張し、上記課題を取り扱うことのできる粒子シミュレーションコードとして開発した。その結果、無衝突磁気リコネクションに関連した3種類のプラズマ不安定性が電流層で発生し、時間経過とともに、電流層の空間構造に変化を作り出すことを見出した。a)まず、シミュレーションの早い段階に、電流層周辺部で低域混成ドリフト不安定性が発生する。外部駆動源の存在により、空間構造を変形しながら中心部に伝播し、やがて、無衝突リコネクションを誘起する。B)磁気リコネクションの際に電流層に形成された磁気島が、下流領域に流れていくに従い、その内部に電流を蓄積することによりキンク不安定となり崩壊していく。C)磁気島構造が消滅した後、系は一時的に定常状態に移行するが、その後、低周波数モードであるドリフトキンク不安定性が発生し、電流層に平衡電流方向に空間構造が生み出される。
磁場反転配位(FRC)の運動論的平衡配位形成過程に対する傾斜モード安定化機構を、3次元粒子シミュレーシヨン手法により解析した。特に、本年は、磁気セパラトリックスの幾何学的形状と傾斜モード安定化効果の関係を詳細に調べた。その結果、形状が対称軸方向に偏長になるにつれ、不安定モードの発生する領域が局在化するようになり、成長が抑えられる傾向にあることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] Lj.Nikolic, M.M.Skoric, S.Ishiguro, T.Sato: "On stimulated scattering of laser light in inertial fusion energy targets"Fusion Science and Technology. Vol.43,No.3. 359-365 (2003)
• [文献書誌] Wataru Oohara, Rikizo Hatakeyama, Seiji Ishiguro: "Plasma state transition originating from local production of massive negative ions"Physical Review E. Vol.68,No.6. 066407-1-066407-8 (2003)
• [文献書誌] Takuma Gohda, Seiji Ishiguro, Satoru Iizuka, Noriyoshi Sato: "Electrostatic Shocks Excited by Velocity Modulation of an Ion Beam in a Plasma"Physical Review Letters. Vol.92,No.4. 045002-1-045001-4 (2004)
• [文献書誌] Lj.Nikolic, S.Ishiguro, T.Sato: "Self-Organization and Coupling of Waves in a Plasma"AIP Conference Proceedings. Vol.669. 630-633 (2003)
• [文献書誌] Takuma Gohda, Seiji Ishiguro, Satoru Iizuka, Noriyoshi Sato: "Electrostatic Shocks Formed by Ion-Beam Velocity Modulation in a Q-Machine Plasma"AIP Conference Proceedings. Vol.669. 14-17 (2003)
• [文献書誌] 博田竜史, 長谷川建治, 管信一, 平本嘉助, 大野暢亮, 田村祐一, 陰山聡, 堀内利得, 佐藤哲也: "人体CT画像を利用した3次元可視化"形態科学. 6巻2号. 67-74 (2003)
• [文献書誌] R.Horiuchi, W.B.Pei, T.Sato: "Driven Reconnection Controlled by Particle Dynamics in a Collisionless Open System"AIP Conference Proceedings. 669,Issue1. 769-772 (2003)
• [文献書誌] T.Hayashi, R.Horiuchi, K.Watanabe, T.Sato: "Outlook of Multiple Time and Spatial Scale Simulation for Understanding Self-Organizing Phenomena in Plasmas"J.Plasma and Fusion Research. 79. 464-469 (2003)
• [文献書誌] 堀内利得: "進化するシミュレーション・サイエンス"SOKENDAI Journal. No.4. 26-31 (2003)
• [文献書誌] K Ohtani, R.Horiuchi T.Sato: "Self-generation of Hollow Current Profile and Tilt Instability in a Field-Reversed Configuration -"Physics of Plasinas. Vol.10. 145-156 (2003)
• [文献書誌] R.Horiuchi, H.Ohtani, A.Ishizawa: "Structure formation and dynamical behavior of kinetic plasmas controlled by magnetic reconnection"Computer Physics Communications. (掲載決定). (2004)
• [文献書誌] R.Horiuchi, H.Ohtani, A.Ishizawa: "Dynamical Evolution of Thin Current Sheets in a Three-Dimensional Open System"Journal of Plasma and Fusion Research. Vol.6(掲載決定).