Resonant layers in a tokamak respond to non-axisymmetric magnetic perturbations by amplifying the mode amplitude and balancing the plasma rotation through magnetic reconnection and force balance, respectively. This resonant response can be characterized by local layer parameters and especially by a single quantity in the linear regime, the so-called inner-layer Δ. The computation of Δ under two-fluid drift-MHD formalism has been progressed by reducing the order of the system in the phase space, where the shielding current is approximated as being only carried by electrons, a posteriori. In this study, we relax the approximation and compute Δ accounted for by the parallel flow associated with the ion shielding current. The posteriori is numerically verified in great agreement with the original SLAYER developed in a previous paper (J.-K. Park 2022 Phys. Plasmas29 072506). Extending the resonant layer response theory to high β plasmas, our research findings answer two important questions: how the parallel flow influences the resonant layer response and why the parallel flow effect appears in high β plasmas. The complicated plasma compression in high β regime allows the parallel flow response to give rise to the ion shielding current, which not only shifts the zero-crossing condition of the ExB flow but also enhances the field penetration threshold. Technically, the Riccati matrix transformation method is adapted to handle the numerical stiffness due to the increased order of the system. The high fidelity of this numerical method makes use of further extension of the model to higher-order systems to take other physical phenomena into account. This work is envisaged to predict the resonant layer response under high β fusion reactor conditions.
トカマクにおける共鳴層は、非軸対称磁気摂動に応答して、モード振幅を増幅し、それぞれ磁気リコネクションと力のバランスを通じてプラズマ回転を釣り合わせる。この共鳴応答は、局所的な層パラメータ、特に線形領域における単一の量であるいわゆる内層Δによって特徴付けることができる。二流体ドリフトMHD形式の下でのΔの計算は、位相空間における系の次数を減少させることによって進展してきたが、そこでは遮蔽電流は事後的に電子のみによって運ばれると近似されている。本研究では、この近似を緩和し、イオン遮蔽電流に関連する平行流を考慮したΔを計算する。この事後的近似は、前論文 (J.-K. Park 2022 Phys. Plasmas29 072506) で開発された元のSLAYERと非常によく一致することが数値的に検証される。共鳴層応答理論を高βプラズマに拡張することにより、我々の研究結果は、平行流が共鳴層応答にどのように影響するか、そしてなぜ平行流効果が高βプラズマで現れるのかという二つの重要な問いに答える。高β領域における複雑なプラズマ圧縮は、平行流応答がイオン遮蔽電流を発生させることを可能にし、それがExB流のゼロ交差条件を変化させるだけでなく、磁場浸透閾値を高める。技術的には、Riccati行列変換法は、系の次数の増加による数値的スティフネスを扱うために適用される。この数値手法の高忠実度は、他の物理現象を考慮に入れるための高次系へのモデルのさらなる拡張を可能にする。この研究は、高β核融合炉条件における共鳴層応答を予測することが構想されている。