In this work, we extend the three-dimensional, nonlinear resistive/two-fluid MHD code CLT to simulate runaway electron physics by implementing a widely adopted fluid runaway electron MHD (RE-MHD) model. To accurately handle the convection of runaway electrons—which travel at near-light speed along magnetic field lines—a third-order upwind scheme is applied. This scheme is systematically validated to confirm its conservation properties and numerical accuracy. Then, the influence of runaway electrons on the linear and nonlinear evolution of tearing modes and resistive-kink modes is investigated. The presence of runaway electrons introduces finite rotation frequencies to both types of modes and significantly increases their linear growth rates at high resistivity. Owing to a positive feedback process between the runaway current distribution and the magnetic island width, runaway electrons can increase the saturation level of tearing modes by several times. When the ratio of the runaway current to total current exceeds 50%, the system can only experience one crash and form a steady state with axisymmetric magnetic field due to lack of current source term to restore the current distribution.
本研究では、三次元非線形抵抗性／二流体MHDコードCLTを拡張し、広く採用されている流体 runaway 電子 MHD (RE-MHD) モデルを実装することで、 runaway 電子物理をシミュレーションする。磁力線に沿ってほぼ光速で移動する runaway 電子の対流を正確に扱うために、三次精度風上スキームを適用する。このスキームは、その保存特性と数値精度を確認するために体系的に検証される。次に、 runaway 電子がテアリングモードおよび抵抗性キンクモードの線形および非線形発展に及ぼす影響を調査する。 runaway 電子の存在は、両タイプのモードに有限の回転周波数を導入し、高抵抗率においてそれらの線形成長率を有意に増加させる。 runaway 電流分布と磁気島幅の間の正のフィードバック過程により、 runaway 電子はテアリングモードの飽和レベルを数倍に増加させることができる。 runaway 電流の全電流に対する比が50%を超えると、電流分布を回復するための電流源項が欠如しているため、系は1回のクラッシュのみを経験し、軸対称磁場を有する定常状態を形成することができる。