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Endogenous and asymmetric magnetic reconnection with associated processes of relevance to fusion burning plasmas

Bruno Coppi, Bamandas Basu, Paolo Buratti, Alessandro Cardinali, Renato Gatto2019年被引用 1Nuclear FusionIF 3出版社

An endogenous magnetic reconnection process is characterized by a driving factor that lays within the layer where a drastic change of magnetic field topology occurs. This kind of process is shown to take place in the presence of an electron temperature gradient in a well-confined plasma where, referring to quasi-collisionless regimes, the resulting electron temperature fluctuations can be anisotropic. Then a class of (radially) localized reconnecting modes is identified. These involve a transverse generated field of odd parity (as a function of the radial variable), and have finite (phase) velocities of propagation contrary to commonly considered reconnecting modes. The widths of the relevant reconnection layers remain significant even when large macroscopic distances are considered. Given that there are plasmas in the Universe with considerable electron thermal energy contents, these features can be relied upon in order to produce magnetic field generation, or conversion of magnetic energy into particle energy when the coupling of the localized odd modes to extended even modes can be significant. In any case, the resulting magnetic islands are not symmetric. With their excitation these modes can extract momentum from the main body of the plasma column which should recoil in the opposite direction. The excitation of antisymmetric endogenous modes is shown to be relevant to the electron temperature heating due to the reaction products in a fusion burning plasma as, in this case, the longitudinal thermal conductivity on selected rational magnetic surfaces can be decreased, relative to its collisional value, by the effects of reconnection. This kind of steepening is proposed to have a role in enhancing the growth rate of the instability involved in disruption events of the plasma column. The best agreement between theory and experiments concerning the onset of magnetic reconnection is (probably) represented by the theory of the internal kink mode. The observed accelerated reconnection rate following the onset is suggested as being explained by the formation of a relatively large magnetic island with a local steepening of the electron temperature gradient. A new kind of odd 'thermonuclear heating' mode associated with symmetric reconnection is identified.

日本語訳

内部磁気リコネクション過程は、磁場トポロジーの急激な変化が生じる層内に存在する駆動因子によって特徴づけられる。この種の過程は、準無衝突領域において、よく閉じ込められたプラズマ中の電子温度勾配の存在下で生じることが示される。その結果生じる電子温度揺動は異方的となり得る。その後、径方向に局在化したリコネクションモードの一種が同定される。これらのモードは、径方向変数の関数として奇パリティを有する横方向の生成磁場を伴い、通常考えられるリコネクションモードとは対照的に有限の伝播速度を有する。関連するリコネクション層の幅は、大きな巨視的距離を考慮した場合でも有意な大きさを保つ。宇宙プラズマには相当な電子熱エネルギー含有量を有するものが存在することを考慮すると、これらの特徴は、局在モードと拡張偶モードとの結合が有意となる場合に、磁場生成あるいは磁気エネルギーから粒子エネルギーへの変換を生み出すために依拠し得る。いずれの場合においても、結果として生じる磁気島は対称ではない。これらのモードの励起により、プラズマ柱の本体から運動量を抽出することが可能であり、プラズマ柱はその反対方向に反跳を受けるはずである。反対称の内部生成モードの励起は、核融合燃焼プラズマにおける反応生成物による電子温度加熱と関連して重要であることが示される。この場合、選択された有理磁気面上での縦方向熱伝導率は、リコネクションの効果により、その衝突値と比較して減少し得る。この種の急峻化は、プラズマ柱のディスラプション事象に関与する不安定性の成長率を増大させる役割を有することが提案される。磁気リコネクションの開始に関する理論と実験の間の最も良い一致は、おそらく内部キンクモードの理論によって表される。開始後に観測される加速されたリコネクション率は、電子温度勾配の局所的な急峻化を伴う比較的大きな磁気島の形成によって説明され得ることが示唆される。対称リコネクションに関連する新しい種類の奇パリティ「熱核加熱」モードが同定される。

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Magnetic reconnectionBurning plasma
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