磁化プラズマ乱流における３次元流れ場形成の基礎過程

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K18335
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 佐々木 真 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (70575919)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 乱流 / ドリフト波 / ダンジェロモード / 流れ / 帯状流 / 測地線音波

研究実績の概要

本研究では、磁場方向流れ場及び磁場と垂直方向の流れとの干渉を担う基礎過程を明らかにする事を目標とする。本年度は、次のような進展を得た。
(1) 密度勾配と磁場方向流れシアが共存するプラズマにおける流れ場トポロジーの選択則を明らかにした。まず、強い流れを伴う不均一プラズマにおける不安定性を理解するために、密度勾配に起因する抵抗性ドリフト、及び磁場方向流れシアに駆動されるダンジェロモードのそれぞれが線形不安定となるパラメタ領域を明らかにした。また、両者の不安定性の中間的モードが存在し、その中間的不安定性が支配的となる条件を明らかにした[Sasaki, Plasma Fusion Research 2017]。その上で、非線形乱流シミュレーションを行った。粒子ソース強度をパラメタとして変化させた所、（磁場方向及び垂直方向からなる）流れ場のカイラリティに分岐が生じることが分かった。この流れ構造の分岐は、乱流状態が抵抗性ドリフト波・ダンジェロモード・中間モードのそれぞれが卓越する状態へ遷移する事に対応することを明らかにした[Sasaki, Phys. Plasmas 2017]。
(2) 磁場と垂直方向の流れである帯状流に捕捉された乱流の空間構造や伝播機構を明らかにした。帯状流として、高エネルギー粒子駆動測地線音波（EGAM）及び乱流駆動測地線音波（GAM）を考えた。乱流は流れ曲率の正の領域で排斥され、負の領域に捕捉される。捕捉された乱流はEGAMやGAMの位相速度で伝播するため、流れ（GAM）と乱流の位相関係は保たれる事を明らかにした[Sasaki, Phys. Plasmas 2018]。また、捕捉された乱流は、輸送障壁を通過し乱流の安定領域への伝播可能である事を示した[Sasaki, Sci. Rep. 2017]。この機構はturbulence spreadingと同等の効果を持ちうる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画は順調に進展している。乱流シミュレーションにより、乱流状態の遷移に起因する３次元的流れ場のトポロジー選択則を明らかにした。さらに、帯状流と乱流の相互作用において、乱流の捕捉効果に焦点を当てた研究によって、乱流の新たなダイナミクスを発見した。乱流捕捉効果は乱流の空間分布や伝播に重要な影響を与える事が分かった。これらの成果は5本の論文にまとめた。その内、2本の論文がPhys. Plasmasのエディタ注目論文に選出された。上記の成果を踏まえ、計画は順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

本年度開発した乱流シミュレーションコードを用い、ケルビンヘルムホルツ乱流や交換型不安定性の非線形素過程の理解を進める。またトロイダルプラズマに拡張し、３次元的な平均的流れ場生成過程の研究を進め、自発回転・輸送障壁及び乱流の空間構造の理解を進展させる。さらに、高エネルギー粒子駆動帯状流における空間非対称モードの選択則の理解を進める。得られた成果は論文として発表すると同時に国際会議等で発信していく。

研究成果

• [雑誌論文] Spatio-temporal dynamics of turbulence trapped in geodesic acoustic modes (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, T. Kobayashi, K. Itoh, N. Kasuya, Y. Kosuga, A. Fujisawa, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 ページ: 012316-1~5
  • DOI: 10.1063/1.5008541
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of measurement signal of Heavy Ion Beam Probe of energetic-particle driven geodesic acoustic modes (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, K. Itoh, T. Ido, A. Shimizu, T. Kobayashi, H. Arakawa, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Plasma Fusion Research 巻: in press ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the Radial Eigenmode Structure of Drift Wave Instability with Inhomogeneity of Damping in Cylindrical Plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Kasuya, M. Sasaki, S. Abe, M. Yagi
  • 雑誌名: Journal of Physical Society Japan 巻: 87 ページ: 024501-1~5
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.024501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantification of turbulent driving forces for geodesic acoustic mode in JFT-2M tokamak (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, M. Sasaki, T. Ido, K. Kamiya, Y. Miura, Y. Nagashima, K. Ida, S. Inagaki, A. Fujisawa, S.-I. Itoh, and K. Itoh
  • 雑誌名: Physical Review Letter 巻: 120 ページ: 045002-1~4
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.045002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Turbulence Simulation Taking Account of Inhomogeneity of Neutral Density in Linear Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Kasuya, S. Abe, M. Sasaki, S. Inagaki, T. Kobayashi, M. Yagi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 ページ: 012314-1~11
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.024501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensional Structure of the Streamer in Linear Plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Nagashima, F. Kin, H. Arakawa, T. Kobayashi, K. Yamasaki, N. Kasuya, Y. Kosuga, A. Fujisawa, K. Itoh, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 034501-1~4
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.034501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple-instabilities in magnetized plasmas with density gradient and velocity shears (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, N. Kasuya, S. Toda, T. Yamada, Y. Kosuga, H. Arakawa, T. Kobayashi, S. Inagaki, A. Fujisawa, Y. Nagashima, K. Itoh, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Plasma Fusion Research 巻: 12 ページ: 1401042-1~7
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.12.1401042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological bifurcation of helical flows in magnetized plasmas with density gradient and parallel flow shear (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, N. Kasuya, K. Itoh, S. Toda, T. Yamada, Y. Kosuga, Y. Nagashima, T. Kobayashi, H. Arakawa, K. Yamasaki, A. Fujisawa, S. Inagaki, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 112103-1~6
  • DOI: 10.1063/1.5000343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement and suppression of turbulence by energetic-particle-driven geodesic acoustic modes (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, K. Itoh, K. Hallatschek, N. Kasuya, M. Lesur, Y. Kosuga, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 16767-1~7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-17011-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of subcritical geodesic acoustic mode excitation in the Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ido, K. Itoh, M. Lesur, M. Osakabe, A. Shimizu, K. Ogawa, M. Nishiura, I. Yamada, R. Yasuhara, Y. Kosuga, M. Sasaki, K. Ida, S. Inagaki, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 072009-1~9
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa665a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phenomenological classification of turbulence states in linear magnetized plasma PANTA (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Kosuga, H. Arakawa, F. Kin, T. Yamada, Y. Nagashima, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh, K. Itoh
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 ページ: 1401019-1~8
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.12.1401019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mesoscale electric fluctuations interacting with zonal flows, magnetic fluctuations, and turbulence (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Zhao, Y. Nagashima, P. H. Diamond, J. Dong, K. Kimitaka, S.-I. Itoh, L. Yan, J. Cheng, A. Fujisawa, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki, Z. Huang, D. Yu, Q. Li, X. Ji, X. Song, Y. Huang, Y. Liu, Q. Yang, X. Ding, X. Duan
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 076036-1~8
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6f35
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hysteresis and Fast Timescale in Transport Relation of Toroidal Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Ida, S. Inagaki, Y. Kamada, K. Kamiya, J. Dong, C. Hidalgo, T. Evans, W. Ko, H. Park, T. Tokuzawa, S. Kubo, T. Kobayashi, Y. Kosuga, M. Sasaki, G. Yun, S. Song, N. Kasuya, Y. Nagashima, C. Moon, M. Yoshinuma, R. Makino, T. Tsujimura, H. Tsuchiya, U. Stroth
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 076036-1~7
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa796a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temporal-spatial structures of plasmas flows and turbulence around tearing mode islands in the edge tokamak plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Zhao, Y. Nagashima, F. Li, Y. Shi, P. H. Diamond, J. Dong, K. Itoh, S.-I. Itoh, G. Zhuang, H. Liu, Z. Chen, J. Cheng, L. Nie, Y. Ding, Q. Hu, Z. Chen, B. Rao, Z. Cheng, L. Gao, X. Zhang, Z. J. Yang, N. Wang, L. Wang, W. Jin, W. Yan, J. Xu, Y. Wu, L. Yan, A. Fujisawa, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 126006-1~6
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa8341
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 測地線音波と乱流の時空間ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真
  • 学会等名: フロントランナーシンポジウム
• [学会発表] 測地線音波に捕捉された乱流の時空間ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真, 小林達哉, 伊藤公孝, 糟谷直宏, 小菅佑輔, 藤澤彰英, 伊藤早苗
  • 学会等名: 日本物理学会年会
• [学会発表] Enhancement and suppression of turbulence by energetic-particle-driven geodesic acoustic modes (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, K. Itoh, K. Hallatschek, N. Kasuya, M. Lesur, Y. Kosuga S.-I. Itoh
  • 学会等名: 7th Asia Pacific Transport Working Group International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Topological bifurcation of turbulence driven flows in magnetized plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, N. Kasuya, K. Itoh, S. Toda, T. Yamada, Y. Kosuga, Y. Nagashima, T. Kobayashi, H. Arakawa, K. Yamasaki, A. Fujisawa, S. Inagaki, S.-I. Itoh
  • 学会等名: 9th Festival de Theorie
  • 国際学会
• [学会発表] Trapping of turbulence clumps by geodesic acoustic modes (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, K. Itoh, K. Hallatschek, T. Kobayashi, N. Kasuya, M. Lesur, Y. Kosuga, S.-I. Itoh
  • 学会等名: 16th International workshop on H-mode Physics and transport barrier
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of line-integral effect of Heavy Ion Beam Probe measurement of energetic-particle driven geodesic acoustic modes (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, K. Itoh, T. Ido, N. Kasuya, A. Shimizu, A. Fujisawa, S.-I. Itoh
  • 学会等名: 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] プラズマ乱流における流れ場トポロジーの分岐シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真, 糟谷直宏, 伊藤公孝, 登田慎一郎, 山田琢磨, 小菅佑輔, 永島芳彦, 小林達哉, 荒川弘之, 山崎広太郎, 藤澤彰英, 稲垣滋, 伊藤早苗
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム
• [学会発表] 密度勾配と磁場方向速度シアを伴うプラズマにおける乱流と流れトポロジー分岐 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真, 糟谷直宏, 伊藤公孝, 登田慎一郎, 山田琢磨, 小菅佑輔, 永島芳彦, 小林達哉, 荒川弘之, 山崎広太郎, 藤澤彰英, 稲垣滋, 伊藤早苗
  • 学会等名: プラズマコンファレンス 2017
• [学会発表] 高エネルギー粒子駆動測地線音波による乱流の抑制・増長効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真、伊藤公孝、Klaus Hallatschek、糟谷直宏、Maxime Lesur、小菅佑輔、伊藤早苗
  • 学会等名: 統合コード研究会