Three-dimensional magnetohydrodynamic (MHD) simulations are carried out in order to reveal the fundamental mechanism of the self-sustainment process in the reversed field pinch (RFP) plasma. It is confirmed that the RFP configuration is sustained in a cyclic process, where the MHD relaxation phase and the resistive diffusion phase appear cyclically and alternatively. In the MHD relaxation process, the RFP plasma approaches a Taylor's minimum energy state, but departs from there in the diffusion process. In other words, since MHD relaxation processes periodically release excess magnetic energy accumulated in the resistive diffusion phase, the RFP plasma can stay in the neighbourhood of the minimum energy state. The mechanism of this cyclic process is disclosed. Specifically, when at least two ideal kink (m = 1) modes become unstable, MHD relaxation can take place. This is because the MHD relaxation progresses through non-linear reconnection of the m = 0 mode, which is driven by non-linear coupling between the unstable kink modes. Therefore, self-sustainment processes can be achieved by the non-linear effects of, essentially, m = 0 and m = 1 modes. The quantitative dependence of the relaxation-diffusion cycle on the aspect ratio of the device is considered, along with its dependence on the magnetic Reynolds number. These results are consistent with recent experiments and indicate that a coherent oscillation, which is often observed in experiments, is necessary for self-sustainment. The influence of self-sustainment processes on particle confinement is briefly discussed.
三次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを、反転磁場配位（RFP）プラズマにおける自己維持過程の基本メカニズムを明らかにするために実施した。RFP配位は、MHD緩和相と抵抗拡散相が周期的かつ交互に現れる循環過程によって維持されることが確認された。MHD緩和過程において、RFPプラズマはテイラーの最小エネルギー状態に近づくが、拡散過程ではそこから離れる。すなわち、MHD緩和過程が抵抗拡散相で蓄積された過剰な磁気エネルギーを周期的に解放するため、RFPプラズマは最小エネルギー状態の近傍に留まることができる。この循環過程のメカニズムを詳細に解明した。具体的には、少なくとも二つの理想キンク（m = 1）モードが不安定になると、MHD緩和が発生し得る。これは、MHD緩和が、不安定なキンクモード間の非線形結合によって駆動されるm = 0モードの非線形磁気リコネクションを通じて進行するためである。したがって、自己維持過程は、本質的にm = 0およびm = 1モードの非線形効果によって達成され得る。緩和-拡散サイクルの定量的な依存性を、装置のアスペクト比および磁気レイノルズ数に対して考察した。これらの結果は最近の実験と一致し、実験でしばしば観測されるコヒーレントな振動が自己維持に必要であることを示している。自己維持過程が粒子閉じ込めに及ぼす影響についても簡潔に議論した。