Nonlinear variational method for predicting fast collisionless magnetic reconnection

速い無衝突磁気リコネクションを予測するための非線形変分法

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

トカマク放電中の鋸歯状崩壊現象を理解するため、無衝突プラズマ中で起きる速い磁気リコネクションのメカニズムを解析した。非線形の変位写像に対するエネルギー原理を用いることで、電子慣性によって駆動されるテアリングモードの爆発的成長を解析的に予測した。(磁気島の幅が電子慣性長より大きくなった)非線形段階では、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の要因となる。こうした理想流体の運動による自由エネルギーの解放は、非定常かつ強い対流を生成し、それは高温トカマクにおける小さな散逸効果では阻止することはできない。スラブ配位における直接数値シミュレーションにより、この非線形成長の理論予測を立証した。

A mechanism for fast magnetic reconnection in collisionless plasma is studied for understanding sawtooth collapse in tokamak discharges. Explosive growth of the tearing mode driven by electron inertia is analytically estimated by using an energy principle with a nonlinear displacement map. Decrease of the 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 accelerated reconnection. Release of free energy by such ideal fluid motion leads to unsteady and strong convective flow, which is not deterred by the small dissipation effects in high-temperature tokamak plasmas. Direct numerical simulation in slab geometry substantiates the theoretical prediction of the nonlinear growth.