| 研究課題/領域番号 |
24740374
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| 研究種目 |
若手研究(B)
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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, 助教 (80413996)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 多階層シミュレーション / 磁気リコネクション |
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| 研究概要 |
磁気リコネクションを階層横断現象として完全に理解することを目指すため、多階層シミュレーションモデルの開発を進めた。この多階層モデルでは、扱う計算領域をマクロとミクロの階層に分け、マクロ階層は磁気流体(MHD)手法で、ミクロ階層は粒子(PIC)手法で解き、両者をインターフェイス領域で連結するものである。
これまでの私の多階層モデルにおいては、リコネクション下流方向には周期境界条件が用いられていた。平成24年度は、この境界条件を改良して開放境界条件とした。この改良によって、リコネクションの結果生成されたアウトフローやプラズモイドが計算領域の外へ抜け出ることができるため、長時間の多階層シミュレーションを行うことが可能となった。また、将来より現実的な広い領域を計算することを目指して、磁気流体で解くマクロ階層に非一様格子を適用することに成功した。
開発した多階層モデルを用いて、磁気リコネクションの階層構造を調べ始めた。マクロ階層（磁気流体領域）から流入するプラズマ密度、流入速度、流入範囲などを変えて多階層シミュレーションを行い、リコネクションの物理を観測した。それによって、マクロ階層がミクロ階層（粒子領域）に及ぼす影響についての大まかな傾向をつかむことができた。
一方、磁場閉じ込め装置などにおいては、粒子同士のクーロン衝突の効果が強く効くケースが見られる。そこで、粒子コードに組み込むためのモンテカルロ法に基づいた粒子衝突モデルを整備した。静止したイオン中を電子がビーム状に通過する場合、イオンと電子の温度が異なる状態からの緩和過程などをシミュレーションすることにより、衝突モデルが物理的に正しいことを検証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題の目的は、多階層シミュレーションモデルの開発を進めることと、そのモデルを用いて磁気リコネクションの階層横断現象を調べることである。
まず、モデル開発面について評価する。開発したい理想的な多階層モデルは下記のような特徴を持つものと計画している。１．上流下流方向とも階層間連結されている。２．粒子領域と磁気流体領域の間にクーロン衝突ありの粒子領域または二流体領域を挟む。３．必要に応じて時間と共に磁気流体領域を粒子領域に変換する。４．計算領域をMPI並列化する。平成24年度は１への取り掛かりとして、下流方向を周期境界条件から開放境界条件に改良することを計画しており達成することができた。計画に加えて、磁気流体領域に非一様格子を適用することにも成功した。また、２への取り掛かりとして、クーロン衝突のモデル開発および検証を計画しており、それらを達成することができた。以上からモデル開発面は計画通り以上に進んでいると言える。
次に、磁気リコネクション研究の方面について評価する。最終的には、多階層モデルを地球磁気圏全体などの大規模な系に適用することである。その結果、マクロ階層とミクロ階層が互いにどのような影響を与え合うか、その条件は何か、などの知見を見いだし、磁気リコネクションの階層構造について体系づけられた知見を得ることを目指している。平成24年度は、マクロな振る舞いがリコネクションの物理に及ぼす影響を調べて、リコネクション階層構造解明の第一歩とすることを計画していた。マクロ階層がミクロ階層（粒子領域）に及ぼす影響についての大まかな傾向を見出すことができたが、体系化することにまでは至っていない。そのためリコネクション研究の達成度としては、わずかだが遅れていると言える。
以上から、総合すると課題はおおむね順調に進んでいると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
粒子シミュレーションによる磁気リコネクション研究によって、磁気リコネクション上流方向の階層構造について定量的な知見が得られている。そのため、我々はまず領域を上流方向についてのみ分割する多階層シミュレーションモデルを開発してきた。そこで、平成25年度は、磁気リコネクション下流方向についての領域分割に取り組み、２次元分割のモデルを開発する。さらに開発した多次元分割の多階層モデルの検証を行う。現状の１次元分割多階層モデルを開発した際には、検証として１次元線形アルヴェン波の伝播、磁場を横切ってのプラズマの流入について多階層シミュレーションを行い、粒子・磁気流体の連結の物理的正しさを確認した。２次元分割多階層モデルについても、同様の検証を行う予定である。
過去の粒子シミュレーションによると、下流では粒子速度分布がMaxwell分布から大きくずれていることが示されている。また、イオンと電子が流体として別々の運動をしていることも分かってきた。そのため、下流方向を粒子領域から磁気流体領域に直接つなぐことは困難であると思われる。そこで、粒子領域と磁気流体領域の間に、平成24年度計画で記述したクーロン衝突ありの粒子領域、または、二流体領域を挟む３階層連結を試みて、モデルの拡張に取り組む。
一方、下流におけるリコネクションアウトフローの振る舞いを詳しく調べ、磁場のエネルギーがどのようにしてプラズマ粒子のエネルギーへ変換されるのか、また、エネルギー変換が起こる領域の位置・大きさを探る。
また、多階層モデルによる磁気リコネクション研究を継続する。マクロ・ミクロの物理がどのように影響し合うのか調べる。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
私の多階層シミュレーションモデルで用いられている磁気流体法、粒子(PIC)法については、世界のプラズマシミュレーション分野で様々な改良や拡張が日々行われている。開発を進めている多階層モデルに、そのような最新のシミュレーション技術を適用することを考えて様々な文献に当たる予定である。また、磁気リコネクションについても世界で精力的に研究が進められており、その情報を得ることも重要である。そのため、プラズマ物理関連・シミュレーション技法関連の書籍購入として消耗品費を使用する。
昨年度および今年度の成果を国内外の学会などで報告して、関連研究者と議論を行う。現在、9月に徳島市で行われる日本物理学会2013年秋季大会および3月に平塚市で開かれる日本物理学会第69回年次大会に出席する予定である。また、米国国内学会ではあるが国際学会色の強い米国・デンバーで開催されるアメリカ物理学会プラズマ物理部門第55回年会に参加する。さらに、この前日、前々日での開催が計画されているUS-Japanのワークショップにおいても成果報告を行う可能性もある。以上のため、旅費およびその他として学会参加費を使用する。
また、研究報告の際あるいは研究者との議論の際には、他研究者の深い理解を得て効果的な議論を行うため、高速CPUおよび大容量メモリを搭載した動画表示用のノートパソコンを用いる。そのため、設備備品費を用いて、データの解析も行うことができる成果報告用として、価格24万円前後のPanasonic製CF-SXSX2BECBPの購入を予定している。
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