無衝突プラズマのおける磁気リコネクションの発生機構

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10680468
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 堀内 利得 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 教授 (00229220)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高丸 尚教 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (20241234) ; 渡辺 智彦 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (30260053)
• Keywords: 無衝突プラズマ / 磁気リコネクション / 粒子シミュレーション / 異常抵抗 / 粒子運動論効果 / イオンラーモア半径 / ドリフトキンク不安定性 / 非等方イオン加熱

Research Abstract

3次元電磁粒子シミュレーション手法を用いて、無衝突プラズマ中で発生する磁気リコネクション(無衝突磁気リコネクション)の物理機構の研究を行った。本研究では外部駆動電場の存在する場合と存在しない場合の2種類のモデルを用いて解析を行い、以下に示す結果を得た。
1.外部駆動電場が存在しない場合、2種類のプラズマ不安定性が電流層で発生することが明らかにされた。1つは電流層周辺の圧力勾配の大きな領域に発生する低域混成ドリフト不安定性で、他の1つは、磁気中性面近傍で発生するドリフトキンク不安定性である。低域混成ドリフト不安定性の非線型発展により、電流分布の周辺領域が平坦化され、中心部付近が圧縮される。電流層がイオンラーモア半径程度以下の狭い領域に圧縮された時に、ドリフトキンク不安定性が励起され、平衡電流に沿った方向の直流電場を作り出すことにより磁気リコネクションを誘発する。
2.外部駆動電場が存在する場合、イオンの運動論効果により、外部から与えられて電場が電流層の内部に浸透していく。磁気中性面に到達した時点で磁気リコネクションが駆動される。即ち、駆動電場が存在する場合は、波粒子相互作用に起因する異常抵抗(電場)が発生する前に、イオンの運動論効果を通じて、無衝突磁気リコネクションが誘発される。この場合、駆動電場による圧縮により、ドリフトキンク不安定性も誘発されるが、磁気リコネクションの結果生み出された高速プラズマ流により電流が運び去られ、リコネクション点近傍の電流分布が平坦化されるために、やがて電流層の中央でこのモードは安定化され消滅していく。
3.電流層の厚さがイオンラーモア半径程度であるため、駆動電場による圧縮過程で、イオンの磁場に垂直な成分の温度が加熱され、非等方なイオン温度分布が形成される。

Research Products

• [Publications] R. Horiuchi: "Particle Simulation of Colisionless Reconnection in Three Dimensions"Plasma Physics and Controlled Fusion. 41. A477-A485 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Collisionless magnetic reconnection in the presence of external driving flow"J.Plasma Phys.. 61. 415-423 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Anomalous Resistivity and Particle kinetic Effect in Collisionless Reconnection"J.Plasma Fusion Res.. SERIES 2. 58-61 (1999)
• [Publications] K. Nishimura: "Tilt Stabilization by Energetic Beam Ions in a Field-Reversed Configuration"J.Plasma Fusion Res.. SERIES 2. 198-201 (1999)
• [Publications] T.-H. Watanabe: "A magnetohydrodynamic model of MRX discharges"J.Plasma Fusion Res.. SERIES 2. 524-527 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Three-dimensional Particle Simulation of Collisionless Reconnection"Chinese Phys. Lett., Suppl.. (印刷中). (1999)
• [Publications] K. Nishimura: "Drift-kink instability by beam ions in field-reversed configurations"Phys. Plasmas. 6. 3459-3465 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Three-dimensional Particle Simulation of Plasma Instabilities and Collisionless Reconnection in a Current Sheet"Phys. Plasmas. 6. 4565-4574 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Particle Simulation Study on Tilt Stabilization in FRC Plasmas"Trans. Institute Electrical Engineers Japan. 119-A. 1312-1318 (1999)
• [Publications] T.-H. Watanabe: "Modeling of magnetic island formation in magnetic reconnection experiment"Phys. Plasmas. 6. 1253-1257 (1999)
• [Publications] T. H. Watanabe: "Two-Dimensional MHD Simulation of Merging Plasmas in Laboratory Experiments - Focussing on Its Dynamic Behaviors -"J.Plasma Phys. Fusion Res. 75CD. 1119 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Kinetic Stabilization of Tilt Disruption in Field-Reversed Configurations"Nucl. Fusion. 39. 2083-2088 (1999)
• [Publications] R. Horiuchi: "Nonlinear Dynamics of Plasma Instabilities in a Collisionless Current Layer"Prog. Theor. Phys. Suppl.. (印刷中). (2000)
• [Publications] T.-H. Watanabe: "Non-dissipative kinetic simulation and analytical solution of three-mode coupling of ion temperature gradient instability"Phys. Plasmas. 7(印刷中). (2000)