レーザープラズマによる超高強度磁場形成とその応用に関するシミュレーション

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400532
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 長友 英夫 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (10283813)
• 研究分担者: 砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 副主任研究員 (00370213) ; 城崎 知至 広島大学, 工学研究院, 准教授 (10397680)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 輻射流体力学 / MHDシミュレーション / 強磁場発生 / 爆縮 / レーザープラズマ

研究実績の概要

電子熱伝導モデルとして流束制限Spitzer-Harmモデルを用いた２次元輻射・抵抗性磁気流体シミュレーションコードに、新たに非局所電子熱伝導モデルを導入した。運動論に基づくコードなどと比較した結果、妥当性が示されるとともに外部磁場が与えられた場合についても非局所電子熱伝導モデルが必要であると理解した。磁場中の非局所電子熱伝導モデルの導入を検討、開発に着手した。アブレーション領域でのBraginskiiモデルを運動論的に検証し、一部領域で修正が必要であるとした主張が認められ、学術誌(Phys.Plasmas 24, 042117, 2017)に掲載予定である。
爆縮による磁場の圧縮、磁場による電子熱伝導係数の非等方性に起因する流体力学的不安定性に関する研究成果も順調に得られ、スペインで開催された高速点火と直接照射核融合に関する国際会議で招待講演を行ったほか、学術誌（Nuclear Fusion）に投稿中である。
一方、これまでに開発したコードを実験結果と比較するため、２つの実験グループと協力して大型レーザー装置を用いた実験での検証を進めた。一つは臨界密度程度のフォームターゲットに外部磁場を与え電離波面と衝撃波面を計測する実験である。有効なデータが取得できたが、本課題が終了する直前に実施されたため、シミュレーション結果との比較は進行中である。本課題終了後に詳細解析、比較検討する予定である。また、レーザープラズマを用いた磁気スラスターに関する研究についても磁気圧、真空境界のMHDの扱いを引き続き検討中である。
キャパシターコイルによる磁場発生のシミュレーションについては、自由境界の取り扱いが解決し解析できるようになった。しかし、WDM領域での物性値がはっきりせず、定量的な解析を行うまでには至らなかった。今後は、物性値計測の実験にも踏み込んだ研究グループを組織して解明する必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Validation of thermal conductivity in magnetized plasmas using particle-in-cell simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Asahina, H. Nagatomo, A. Sunahara, T. Johzaki, M. Hata, K. Mima, Y. Sentoku
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 042117
  • DOI: 10.1063/1.4981233
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Johzaki, H. Nagatomo, A. Sunahara, Y. Sentoku, M. Hata, T. Taguchi, K. Mima, Y. Kai, D. Ajimi, T. Ishoda, T. Endo, A. Yogo, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga, and H. Azechi
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 59 ページ: 014045 (8pp)
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Yogo, K. Mima, N. Iwata, S. Tosaki, A. Morace, Y. Arikawa, S. Fujioka, T. Johzaki, Y. Sentoku, H. Nishimura, A. Sagisaka, K. Matsuo, N. Kamitsukasa, S. Kojima, H. Nagatomo, M. Nakai, H. Shiraga, M. Murakami, S. Tokita, J. Kawanaka, N. Miyanaga, K. Yamanoi, T. Norimatsu, H. Sakagami, S.V. Bulanov, K. Kondo, H. Azechi
  • 雑誌名: SCIENTIFIC REPORTS 巻: 7 ページ: 42451 (10pp)
  • DOI: 10.1038/srep42451
  • 査読あり
• [雑誌論文] An optimum design of implosion with external magnetic field for electron beam guiding in fast ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T Johzaki, T Asahina, K Matsuo, A Sunahara, H Sakagami, T Sano, K Mima, A Morace, Z Zhang, S Fujioka, K Shigemori, H Shiraga
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 717 ページ: 012041 (4pp)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012041
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of radiation reaction in the interaction between cluster media and high intensity lasers in the radiation dominant regime (2016)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Iwata, Hideo Nagatomo, Yuji Fukuda, Ryutaro Matsui, and Yasuaki Kishimoto
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 063115-1~17
  • DOI: 10.1063/1.4954152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron beam guiding by external magnetic fields in imploded fuel plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: T Johzaki, Y Sentoku, H Nagatomo, A Sunahara, H Sakagami, S Fujioka, H Shiraga, T Endo
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 717 ページ: 012025 (4pp)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012025
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujioka, Y. Arikawa, S. Kojima, T. Johzaki, H. Nagatomo, H. Sawada, S. H. Lee, T. Shiroto, N. Ohnishi, A. Morace, X. Vaisseau, S. Sakata, Y. Abe, K. Matsuo, K. F. F. Law, S. Tosaki, A. Yogo, K. Shigemori, Y. Hironaka, Z. Zhang, A. Sunahara, T. Ozaki, H. Sakagami, K. Mima, et al.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 056308 (11pp)
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • 査読あり
• [学会発表] Simulation study of magnetic-field-assisted fast ignition for FIREX (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideo NAGATOMO
  • 学会等名: 13th Direct-Drive & Fast Ignition Workshop
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • 年月日: 2017-03-22 – 2017-03-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レーザー核融合の爆縮シミュレーションにおける非局所電子熱伝導モデルの影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • 学会等名: 日本物理学会 第７２回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 外部磁場の影響下の非局所電子熱伝導を考慮したレーザープラズマの輻射流体シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • 学会等名: 第３０回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: タワーホール船堀 東京都江戸川区
  • 年月日: 2016-12-13
• [学会発表] 輻射-電磁流体コードへの非局所電子熱伝導モデルの導入 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，砂原淳，城﨑知至
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第３３回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-12-01
• [学会発表] Effect of non-local electron conduction in compression of solid ball target for fast ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideo NAGATOMO, Takashi ASAHINA, Tomoyuki JOHZAKI, Philippe NICOLAI
  • 学会等名: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: San Jose, California, USA
  • 年月日: 2016-10-31
  • 国際学会
• [学会発表] Compression and Electron Beam Heating of Solid Target under the External Magnetic Field for Fast Ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina. S.LeesM. Hata, Sunahara, S. Fujioka, K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, A. Sunahara, H. Sakagami
  • 学会等名: 26th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] 中実球の高密度圧縮における高速電子の影響の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 朝比奈隆志, 砂原淳, 城﨑知至
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 高速点火のため外部磁場中の燃料球圧縮 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 城﨑知至, 朝比奈隆志, 砂原淳, 坂上仁志
  • 学会等名: 第１１回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂
  • 年月日: 2016-07-14
• [学会発表] Integrated Simulation of Imploded Core Heating for the FIREX project (2016)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 43rd European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • 発表場所: Leuven, Belgium
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solid Target Compression Under the Strong Magnetic Field for Fast Ignition, (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideo Nagatomo, T. Johzaki, K. Matsuo, T. Asahina, S. Lee, A. Hata, S. Fujioka, K. Mima, A. Sunahara, H. Sakagami
  • 学会等名: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers, (CLES2016 in OPIC2016)
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama Japan
  • 年月日: 2016-05-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated Simulation of Imploded Core Heating for the FIREX project (2016)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 14th International workshop on fast ignition and high field physics with high power lasers, (CLES2016 in OPIC2016)
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • 年月日: 2016-05-17 – 2016-05-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated Simulation for Magnetized Fast Ignition Laser Fusion (2016)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: 10th West Lake International Symposium on Magnetic Fusion and 12th Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • 発表場所: Hangzhou, China
  • 年月日: 2016-05-09 – 2016-05-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated simulation of fast ignition under the strong external magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideo Nagatomo
  • 学会等名: 12th Direct Drive and Fast Ignition Workshop
  • 発表場所: University of Bordeaux, Talence, France
  • 年月日: 2016-04-25 – 2016-04-27
  • 国際学会