The collisionless plasma transport in stochastic magnetic fields connecting to wall boundary has been studied to understand the underlying mechanisms of thermal quench physics in tokamak disruption. In this study, we present a comprehensive understanding of the plasma dynamics in three-dimensional stochastic open magnetic field lines, taking into account the consistent coupling of electron and ion dynamics through the ambipolar electric field. The open stochastic field lines act as a 3D magnetic mirror consisting of the magnetic well and hill regions. It was found that the magnetic hill regions play a critical role in enhancing electron thermal transport. When the plasma collapses to the wall, the 3D ambipolar potential arises in the stochastic layer to maintain the quasi-neutrality of the plasma. The E × B vortices induced by the 3D ambipolar potential mix the plasma across stochastic field lines and enhance the radial transport. Particularly, the E × B mixing between the magnetic well and hill regions provides a collisionless detrapping mechanism that plays a major role in the loss of high-energy trapped electrons. As a result, the electron temperature steadily decreases at a rate of about −0.5 keV ms−1, comparable to the rate observed in thermal quench experiments.
壁境界に接続するストカスティック磁場中での無衝突プラズマ輸送は、トカマクディスラプションにおける熱クエンチ物理の根本メカニズムを理解するために研究されてきた。本研究では、分極電場を介した電子とイオンのダイナミクスの整合的な結合を考慮し、3次元ストカスティック開放磁力線におけるプラズマダイナミクスの包括的理解を示す。開放ストカスティック磁力線は、磁気井戸領域と磁気丘領域からなる3D磁気ミラーとして機能する。磁気丘領域が電子熱輸送を強化する上で重要な役割を果たすことが見出された。プラズマが壁に崩壊すると、プラズマの準中性を維持するために、3D分極電位がストカスティック層内に生じる。3D分極電位によって誘起されるE × B渦は、ストカスティック磁力線を横切ってプラズマを混合し、径方向輸送を強化する。特に、磁気井戸領域と磁気丘領域の間のE × B混合は、無衝突脱捕捉メカニズムを提供し、高エネルギー捕捉電子の損失において主要な役割を果たす。その結果、電子温度は約−0.5 keV ms−1の割合で着実に減少し、これは熱クエンチ実験で観測される割合に匹敵する。