プラズマにおける多階層現象のシミュレーション研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23340182
• 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, ヘリカル研究部, 教授 (00229220)
• 研究分担者: 田 光江 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所宇宙環境研究室, 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, 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 多階層連結モデル / 磁気リコネクション / 構造形成 / エネルギー変換 / 異常電気抵抗 / 磁気圏サブストーム

研究実績の概要

AMRとPIC-MHDの連結コードを地球磁気圏尾部のリコネクション領域に適用した。地球磁気圏グローバルシミュレーションのデータをAMRの外部境界からの入力とし、内側のPIC領域と接続し、磁気リコネクションの発生を再現した。磁気リコネクション下流方向をより適切に階層連結するため、拡張MHDとPICをつないだ多階層モデルを開発し、ホイッスラー波伝播などの検証を行った。
一様Hall MHD乱流シミュレーションにより、Hall項の短波長成分が磁場の長波長成分におよぼす影響を明らかにした。この知見をもとに、格子解像度以下の短波長成分が格子解像度以上の長波長成分に及ぼす影響を渦粘性型のモデルで近似し、比較的少ない格子点数でシミュレーションを実行するLarge Eddy Simulationを実施し、エネルギースペクトルなど基本的な性質について良好な結果を得た。
開放系粒子境界条件の3次元領域分割に対応したコーディングが完成して、開放系電磁粒子コードPASMOに組み込んだ。電荷保存法を適用したPASMOでは電磁場の開放端境界条件に修正が必要であることが分かった。その場可視化ライブラリVISMOでは点群データを用いて擬似的な対話性を実現した。下流領域の階層構造を探求するためPASMOで得た粒子速度分布を詳しく解析した結果、実効的な加熱機構を見出した。
磁気圏サブストームにある多階層性をグローバルMHDの中で無矛盾に扱う研究において、波動―粒子相互作用に基づく異常抵抗モデルを再評価し、このモデルをサブストームのMHDシミュレーションに適用して、磁気圏のグローバルなふるまいへの影響を調べた。PASMOコードを磁気島が発生する場合と発生しない場合の磁気リコネクション現象に適応し、磁気島が発生する場合、磁気島による圧縮加熱により非常に効率的に粒子が加熱されることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Energy Conversion Mechanism for Electron Perpendicular Energy in High Guide-Field Reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: X. Guo, R. Horiuchi, C. Z. Cheng, Y. Kaminou, and Y. Ono
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 032901
  • DOI: 10.1063/1.4977908
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical study of Hall effects on counter-helicity spheromak merging by two-dimensional Hall-MHD simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kaminou, M. Inomoto, Y. Ono and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 032508
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4978785
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of Spherical Tokamak Research in Japan (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase, A. Ejiri, T. Fujita, N. Fukumoto, A. Fukuyama, K. Hanada, H. Idei, M. Nagata, Y. Ono, H. Tanaka, M. Uchida, R. Horiuchi, Y. Kamada, H. Kasahara, S. Masuzaki, Y. Nagayama, T. Oishi, K. Saito, Y. Takeiri, S. Tsuji-Iio
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dissipative Particle Dynamics Simulation of Self-Assembly in a Bolaamphiphilic Solution (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujiwara, Y. Takahashi, H. Ikebe, T. Mizuguchi, M. Hashimoto, Y. Tamura, H. Nakamura, and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 ページ: 2401073
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2401073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decoupling of Electron and Ion Dynamics in Driven Magnetic Reconnection in Collisionless Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Z. Cheng, S. Inoue, Y. Ono, and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 ページ: 1401081
  • DOI: 10.1585/pfr.11.1401081
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-scaleSimulations of Magnetic Reconnection Using Particle-in-Cell and Magnetohydrodynanmics with Adaptive Mesh Refinement Technique (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ogawa, S. Usami, R. Horiuchi, M. Den and K. Yamashita
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 ページ: 2401096
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2401096
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Simulation Reactor Research Project at the National Institute for Fusion Science - 1. Introduction (2016)
  • 著者名/発表者名: Ritoku Horiuchi
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Research 巻: 92 ページ: 785-786
  • DOI: http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2016_11/jspf2016_11-785.pdf
• [雑誌論文] Numerical Simulation Reactor Research Project at the National Institute for Fusion Science - 3. Sophistication of Computational Science and Fundamental Physics Simulations (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiguro, Atsushi. Ito, S. Usami, H. Ohtani, H. Sakagami, M. Toida, H. Hasegawa, R. Horiuchi and H. Miura
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Research 巻: 92 ページ: 821-830
  • DOI: http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2016_11/jspf2016_11-821.pdf
• [雑誌論文] Visualization of dust particle data with plasma simulation results by using virtual-reality system (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Ohtani, M. Shoji, N. Ohno, Y. Suzuki, S. Ishiguro, A. Kageyama and Y. Tamura
  • 雑誌名: Contribution to Plasma Physics 巻: 56 ページ: 692-697
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610054
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Numerical Simulation Reactor Research Project at the National Institute for Fusion Science - 4. Summary and Prospect (2016)
  • 著者名/発表者名: Ritoku Horiuchi
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Research 巻: 92 ページ: 831-831
  • DOI: http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2016_11/jspf2016_11-831.pdf
• [雑誌論文] Hall effects and sub-grid-scale modeling in magnetohydrodynamic turbulence (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Miura, Keisuke Araki, Fujihiro Hamba
  • 雑誌名: Journal of Computational Physics 巻: 316 ページ: 385-395
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2016.03.067
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Numerical study of energy conversion mechanism of magnetic reconnection in the presence of high guide field (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Inoue, Y. Ono, H. Tanabe, R. Horiuchi, and C. Z. Cheng
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 ページ: 083014
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/8/083014
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Physical Processes of Driven Magnetic Reconnection in Collisionless Plasmas: Zero Guide Field Case (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Z. Cheng, S. Inoue, Y. Ono, and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 22 ページ: 101205
  • DOI: 10.1063/1.4932337
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Collisionless Driven Reconnection in an Open System (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi
  • 学会等名: The US-Japan Workshop and School on Magnetic Reconnection
  • 発表場所: Matsuyama, Japan
  • 年月日: 2017-03-19 – 2017-03-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Studies on proton effective heating in magnetic reconnection by means of particle simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Usami, R.Horiuchi, H.Ohtani
  • 学会等名: The US-Japan Workshop and School on Magnetic Reconnection
  • 発表場所: Matsuyama, Japan
  • 年月日: 2017-03-19 – 2017-03-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] PIC simulation studies of merging processes of spheromak-like and spherical-tokamak-like plasmoids (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi and S. Usami
  • 学会等名: The 56th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • 国際学会
• [学会発表] 無衝突駆動磁気リコネクションにおける磁気島の役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀内利得、宇佐見俊介
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [学会発表] Macro- and microscopic physics of collisionless driven reconnection (2016)
  • 著者名/発表者名: S.Usami, R.Horiuchi, T.Ogawa, H.Ohtani, and M. Den
  • 学会等名: The 18th International Congress on Plasma Physics
  • 発表場所: Kaohsiung, Taiwan
  • 年月日: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of magnetic islands in energy conversion process of collisionless driven reconnection (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, S. Usami
  • 学会等名: The 18th International Congress on Plasma Physics
  • 発表場所: Kaohsiung, Taiwan
  • 年月日: 2016-06-27 – 2016-06-27
  • 国際学会
• [学会発表] Two-step heating of ions through collisionless driven reconnection (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi
  • 学会等名: West Lake International Symposium on Magnetic Fusion and Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • 発表場所: Hangzhou, China
  • 年月日: 2016-05-09 – 2016-05-13
  • 国際学会
• [学会発表] In-Situ Visualization with Point Cloud (2016)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Ohno and Hiroki Ohtani
  • 学会等名: IEEE PacificVis 2016
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2016-04-19 – 2016-04-22
  • 国際学会
• [学会発表] リコネクション下流における実効的イオン加熱のシミュレーション研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、堀内利得、大谷寛明
  • 学会等名: 磁気リコネクション研究の最前線と今後の展望
  • 発表場所: 国立天文台
  • 年月日: 2016-03-28 – 2016-03-29
• [学会発表] 核融合プラズマ研究へのバーチャルリアリティ技術の応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大谷寛明、石黒静児
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 無衝突駆動磁気リコネクションにおける磁気島の役割について (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀内利得
  • 学会等名: 日本天文学会
  • 発表場所: 東京首都大学
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-17
• [学会発表] Simulation studies on effective ion heating in the reconnection downstream (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, and Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection
  • 発表場所: Napa, CA, USA
  • 年月日: 2016-03-07 – 2016-03-11
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on the Ion Heating Mechanism in the Downstream of Magnetic Reconnection (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, and Hiroaki Ohtani
  • 学会等名: 「自然科学における階層と全体」シンポジウム
  • 発表場所: 国立天文台
  • 年月日: 2016-02-05 – 2016-02-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simulation of Magnetic Reconnection in Magnetotail by Interlocking Particle-in-Cell and Magnetohydrodynamics on Hierarchical Mesh (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Ogawa, S. Usami, R. Horiuchi, M. Den, K. Yamashita and T. Tanaka
  • 学会等名: The 9th International Conference on Computational Physics
  • 発表場所: 米国サンフランシスコ
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study of Effective Resistivity Models Evaluated in Kinetic Studies Using MHD Simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Den, S. Usami, R. Horiuchi,K. Yamashita, T. Ogawa and T. Tanaka
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 発表場所: 米国サンフランシスコ市
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • 国際学会
• [学会発表] 核融合プラズマ及びプラズマ物理へのバーチャルリアリティ技術の利活用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大谷寛明、石黒静児
  • 学会等名: 第32回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [学会発表] Role of magnetic islands in energy conversion process of collisionless driven reconnection (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi
  • 学会等名: 25th International Toki Conference
  • 発表場所: Toki, Japan
  • 年月日: 2015-11-03 – 2015-11-06
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of a Multi-Hierarchy Simulation Model for Magnetic Reconnection Studies (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Hideaki Miura, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, and Mitsue
  • 学会等名: 25th International Toki Conference
  • 発表場所: Toki, Japan
  • 年月日: 2015-11-03 – 2015-11-06
  • 国際学会
• [学会発表] Applications of the virtual-reality technology to Plasma Physics and Fusion Plasmas (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ohtani and Seiji Ishiguro
  • 学会等名: 25th International Toki Conference
  • 発表場所: Toki, Japan
  • 年月日: 2015-11-03 – 2015-11-06
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-scale simulation of magnetic reconnection using particle-in-cell with magnetohydrodynamics on adaptively refined mesh (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Ogawa, S. Usami, R. Horiuchi, M. Den and K. Yamashita
  • 学会等名: 25th International Toki Conference
  • 発表場所: Toki, Japan
  • 年月日: 2015-11-03 – 2015-11-06
  • 国際学会
• [学会発表] 実空間分割型の多階層シミュレーションによる駆動型磁気リコネクション研究II (2015)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、大谷寛明、堀内利得、田光江
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Visualization of dust particle data with plasma simulation results by virtual-reality system (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Ohtani, M. Shoji, N. Ohno, Y. Suzuki, S. Ishiguro, A. Kageyama, Y. Tamura
  • 学会等名: 15th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 発表場所: Nara Kasugano International Forum IRAKA
  • 年月日: 2015-09-09 – 2015-09-11
  • 国際学会
• [学会発表] 開放系電磁粒子シミュレーションコードPASMOの開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大谷寛明
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2015
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-09-03 – 2015-09-04
• [学会発表] 拡張MHDとPIC連結による多階層シミュレーションモデルのさらなる発展 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宇佐見俊介、三浦英昭、堀内利得、大谷寛明、田光江
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2015
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-09-03 – 2015-09-04
• [学会発表] Basis of Particle-In-Cell (PIC) simulation and its applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Ritoku Horiuchi
  • 学会等名: the 5th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical plasmas (Aug. 17-22, 2015,
  • 発表場所: POSTECH, Korea
  • 年月日: 2015-08-17 – 2015-08-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of magnetic islands in energy conversion process of collisionless driven reconnection (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, S. Usami, H. Ohtani,
  • 学会等名: 24th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • 発表場所: Golden, USA
  • 年月日: 2015-08-12 – 2015-08-14
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of the Multi-Hierarchy Model for Magnetic Reconnection Studies - Interlocking between PIC and Extended MHD - (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Hideaki Miura, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, and Mitsue Den
  • 学会等名: 24th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • 発表場所: Golden, USA
  • 年月日: 2015-08-12 – 2015-08-14
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of short-wave Hall and gyro-viscous effects in instability and turbulence (2015)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Miura
  • 学会等名: 24th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • 発表場所: Golden, USA
  • 年月日: 2015-08-12 – 2015-08-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a Multi-Hierarchy Simulation Model Based on MHD-PIC interlocking and Studies on Magnetic Reconnection (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Hiroaki Ohtani, and Mitsue Den
  • 学会等名: JIFT workshop on "Extended MHD and MHD simulations for magnetized plasmas
  • 発表場所: Golden, USA
  • 年月日: 2015-08-10 – 2015-08-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 核融合プラズマ研究のための超並列粒子シミュレーションコード開発とその可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大谷寛明
  • 学会等名: JHPCN：学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第7回 シンポジウム
  • 発表場所: 東京、日本
  • 年月日: 2015-07-09 – 2015-07-10
• [学会発表] Macro-Micro Interlocked Simulation for Multiscale Plasma Phenomena like Magnetic Reconnection (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, H. Ohtani, and S. Usami
  • 学会等名: 12th International School/Symposium for Space Simulations
  • 発表場所: Prague, Czech
  • 年月日: 2015-07-06 – 2015-07-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] http://fps.nifs.ac.jp/activity.html