| 研究課題/領域番号 |
16K17847
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 磁気リコネクション / プラズマ加熱 / 多階層モデル / 圧力駆動型不安定性 |
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| 研究実績の概要 |
プラズマの多階層現象として、磁気リコネクション、圧力駆動型不安定性に焦点を当てて、多階層モデルの開発、あるいはそれを支える第一原理的なシミュレーション研究を行っている。
磁気リコネクションについては、領域分割型の多階層モデルを用いてその階層横断現象を調べることを目指している。我々の多階層モデルでは、シミュレーションの実空間を分割し、マクロの物理は磁気流体（MHD）、ミクロの物理は粒子(PIC)シミュレーションで解く。しかし、階層間を連結するためには、特に磁気リコネクション下流における物理を詳細に解明することの重要性が高まってきた。本研究課題により、下流でイオンがリング状の特徴的な速度分布を形成していることが解明されているが、今年度はさらに、粒子軌道を詳細に解析することにより、リング構造の特徴を定量的に説明することができた。
また、マクロな視点から見ると、このリング状速度分布の形成は、プラズマの実効的な加熱機構である。そこで、東京大学の球状トカマク装置TS-3におけるプラズマ合体実験結果と比較を行った。温度分布やトロイダル磁場（ガイド磁場）強度による温度依存性について、シミュレーション結果と実験結果はよい一致を見た。
一方、圧力駆動型不安定性における運動論効果の影響を解明するため、パラメータ組み込み型の多階層モデル開発に取り組み始めた。同じ条件の下で、圧力駆動型不安定性の粒子シミュレーションと流体シミュレーションを行って、運動論効果をモデル化することを目指し、今年度は、上述の磁気リコネクション研究で用いている粒子モデルを適用することに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
磁気リコネクションの物理面の探究については、当初の計画より、大きく研究を進展させることができた。それは本研究で見出されたリング状の速度分布形成過程において、以下２つの興味深い側面があるためである。１つは、リング状速度分布が、他のプラズマ現象でも共通して見られるという学祭的な面である。たとえば、プラズマにおける衝撃波中でもリング状速度分布は見られ、共通する機構があることが分かった。もう1つの面は、将来の核融合装置の有力候補の１つとして注目されている球状トカマク装置における加熱を説明できることにある。このため、東京大学の小野教授と中心とするグループと協力し、シミュレーションと実験との比較という面で本研究は大きく進展した。また、今後大規模シミュレーションを行うため、領域を並列化した大規模な粒子コードを開発した。
一方、領域分割型多階層モデルの開発面においては、技術的な困難のため、目標としている拡張MHDコードとPICコードの2方向連結にまで発展させることができなかった。それは上述したリング状速度分布形成の裏の面でもある。すなわち、下流においてはプラズマは予想以上の複雑な振る舞いを示し、PICモデルを拡張MHDモデルに直に繋ぐことは極めて困難であることが明らかになった。
また、パラメータ組み込み型の多階層モデル開発においては、圧力駆動型不安定性の粒子シミュレーションを行うことはできたが、流体と粒子シミュレーションを同条件下でパラメータランをするところまでは至らなかった。
以上から、全体としては本研究課題の進捗状況は「やや遅れている」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
磁気リコネクションの物理面探究においては、領域並列化を行った大規模粒子シミュレーションモデルを用いて、下流におけるプラズマの振る舞いをさらに詳細に調べる。球状トカマク装置におけるプラズマ合体実験（リコネクションを通して合体する）とシミュレーションで得られたデータを、より高精度で比較し、また、高温のプラズマが生成される実験パラメータの提案をすることを目標として、イオン・電子質量比（現在は100としている）を実値に近づけていく。また、これまで本研究では、イオンの振る舞いにのみ着目してきた。しかし、磁気リコネクションにおいては電子も本質的な役割を果たすという報告が多数見られる。そのため、粒子シミュレーションにより電子のエネルギー変換、加熱機構などの解明にも取り組む。
多階層シミュレーションモデル開発面においては、平成30年度は主にパラメータ組み込み型モデルの開発を進める。先行研究で行われてきた拡張MHDモデルを用いた圧力駆動型不安定性を参照し、シミュレーションボックスの大きさ、プラズマ圧力、磁場の強さなどを同じ条件にして、粒子シミュレーションのパラメータランを行う。得られた結果を拡張MHDモデルの結果と比較することにより、運動論効果を何らかの適切な仮定を導入してモデル化するところまで進める予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
理由：計画していたアメリカ・ミルウォーキーで開かれるアメリカ物理学会プラズマ物理部門年会での成果発表を中止し、また、成果発表用ソフトウェアの購入をとりやめ、平成30年度の国際会議旅費に充当することとした。
使用計画：平成30年度には、ICPP2018、IAEA-FEC2018、AAPPS-DPP2018など、プラズマ研究者が注目する大きな国際会議が多く予定されている。カナダで開かれるICPP2018では口頭発表、金沢で開催されるAAPPS-DPP2018では招待講演を行うことが決まっている。そのための旅費および参加費として研究費を用いる。さらに、インドで開かれるIAEA-FEC2018についても国内選考を通過しているので、本研究費を旅費として使用する可能性がある。
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