| 研究課題/領域番号 |
23340182
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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 |
堀内 利得 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (00229220)
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| 研究分担者 |
田 光江 独立行政法人情報通信研究機構, 電磁波計測研究所・宇宙環境インフォマティクス研究室, 主任研究員 (10202194)
三浦 英昭 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40280599)
小川 智也 北里大学, 一般教育部, 講師 (70392719)
宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
大谷 寛明 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90332189)
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| 研究期間 (年度) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | プラズマ・核融合 / シミュレーション / 多階層現象 |
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| 研究実績の概要 |
（１）多階層連結シミュレーションモデルの改良と計算機コードの高精度化研究として、３次元領域分割によるPICコードの分散並列化において計算効率を高めるため、ポアソン方程式の補正を必要としないExact Charge Conservation法を採用した。その結果、従来の方法に比べて、電荷保存・エネルギー保存が非常に精度よく保たれていること、並列化効率を決める指標であるStrong Scalingが高並列度に対してもよく維持されていることが確認された。AMR手法をこれまでのPIC-MHD連結モデルに加えた拡張3階層モデルを、連結条件に変更を加えた場合ついて検証した上で、磁気リコネクションモデルに適用した。一方、多階層連結モデルにおいて、下流方向をより正しく連結するモデルとして、拡張MHDとPICの接続に取り組み始めた。
（２）開発したコードを用いての具体的な多階層現象への応用研究として、ミクロ階層で発生する無衝突磁気リコネクションにおける縦磁場の影響及び磁気島の役割を解明した。多階層連結モデルにより磁気リコネクション構造形成のダイナミックスを詳しく調べ、マクロの振る舞いがリコネクションのミクロな物理へ及ぼす影響を明らかにした。一様等方Hall MHD乱流シミュレーションにより、Hall項の渦渡場に対する影響を明らかにした。Rayleigh-Taylor不安定性シミュレーションにより、Hall項を含む2流体項およびジャイロ粘性項の働きで不安定モードの成長率が高波数部で劇的に減少する事、他方で二次不安定性の成長をもたらして乱流化する事を明らかにした。トーラスプラズマの圧力駆動型不安定性に対して2流体効果が不安定化に作用する事例を明らかにした。磁気圏サブストームへの応用を目的として、マクロの枠内でミクロの効果を異常抵抗として取り込むための物理モデルを提案した。さらに、具体的なシミュレーションの実施により、異常抵抗モデルをマクロに適用する際の扱い方について知見を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題では、多階層連結シミュレーションモデルの改良と計算機コードの整備、および、具体的な多階層現象への応用研究を並行して進めている。多階層連結シミュレーションモデル開発に関しては、上流・下流の両方を階層連結したモデルの開発がほぼ完了しており、さらに、具体的な広範な応用を目指した開発として、これまでのPIC-MHD連結モデルにAMR手法を取り組んだ拡張3階層連結モデルの大枠が磁気リコネクション現象を対象としてほぼ完成している。現在、接続手法の高精度化を目指した研究として、PICモデルと拡張MHDモデルを接続するための計算アルゴリズの検討を進めている。また、応用研究としては、マクロ階層のダイナミックスがミクロ階層における磁気リコネクションの構造形成過程の影響の解析、エネルギー開放系における縦磁場や磁気島の影響評価、磁気圏サブストームの構造形成過程におけるミクロ階層におけるプラズマ異常抵抗の役割、プラズマのマクロ不安定性における拡張MHD効果の解析等が進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
多階層連結シミュレーションモデル開発研究の新たな展開として、下流方向の階層連結をより高精度化するため、これまでの理想MHDとPICの接続モデルをミクロ粒子効果を含んだ拡張MHDとPICの接続へと発展させる。また、これと並行して、PIC-MHD連結モデルにAMR手法を取り組んだ3階層連結モデルを地球磁気圏サブストームなどの具体的な多階層現象に適用することにより連結モデルの完成度を上げる。この新しい多階層モデルを用いて、核融合プラズマの多階層現象や地球磁気圏での磁気リコネクションの階層性や構造形成のダイナミックス、及びミクロ階層とマクロ階層の相互作用の詳細な解析を進める。粒子波動相互作用に基づく異常抵抗モデルの検証をサブストームのグローバルシミュレーションにより行う。また異常抵抗モデルの妥当性の検証のため、局所系での磁気リコネクション現象のシミュレーションを、同一環境下で、異常抵抗モデルを取り込んだMHDモデルおよびPICモデルの両者を用いて実施する。
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