Nonlinear acceleration mechanism of collisionless magnetic reconnection

無衝突磁気リコネクションの非線形加速機構

廣田 真; Morrison, P. J.*; 石井 康友; 矢木 雅敏; 相羽 信行

Hirota, Makoto; Morrison, P. J.*; Ishii, Yasutomo; Yagi, Masatoshi; Aiba, Nobuyuki

トカマク放電における鋸歯状崩壊を理解するため、無衝突プラズマにおける速い磁気リコネクションのメカニズムを明らかにした。電子慣性によって駆動されるテアリングモードの非線形成長速度を、エネルギー原理を初めて活用することにより、解析的に評価した。磁気島の幅が電子スキン長を越えた非線形段階において、ポテンシャルエネルギーの減少が線形段階よりも急峻になることがわかり、それがリコネクションの加速を引き起こす。このような非散逸的な流体運動を介した自由エネルギーの解放は、結果として非定常な強い対流を生成し、慣性に駆動される鋸歯状崩壊モデルの予想を理論的に裏付けする。

A mechanism for fast magnetic reconnection in collisionless plasma is studied for understanding sawtooth collapse in tokamak discharges. Nonlinear growth of the tearing mode driven by electron inertia is analytically estimated by invoking the energy principle for the first time. Decrease of potential energy in the nonlinear regime (where the island width exceeds the electron skin depth) is found to be steeper than in the linear regime, resulting in acceleration of there connection. Release of free energy by such ideal fluid motion leads to unsteady and strong convective flow, which theoretically corroborates the inertia-driven collapse model of the sawtooth crash.