A mechanism for fast magnetic reconnection in collisionless plasma is studied for understanding sawtooth collapse in tokamak discharges using a two-fluid model for cold ions and electrons. Explosive growth of the tearing mode enabled by electron inertia is analytically estimated using an energy principle with a nonlinear displacement map. Decrease in the potential energy in the nonlinear regime (where the island width exceeds the electron skin depth) is found to be steeper than in the linear regime, resulting in accelerated reconnection. Release of potential energy by such a fluid displacement leads to unsteady and strong convective flow, which is not damped by the small dissipation effects in high-temperature tokamak plasmas. Direct numerical simulation in slab geometry substantiates the theoretical prediction of the nonlinear growth.
非衝突プラズマにおける高速磁気リコネクションの機構を、トカマク放電におけるセーバートゥース崩壊を理解するために、冷たいイオンと電子に対する二流体モデルを用いて研究する。電子慣性効果によって可能となるテアリングモードの爆発的成長を、非線形変位写像を伴うエネルギー原理を用いて解析的に評価する。非線形領域（島幅が電子スキン深さを超える領域）におけるポテンシャルエネルギーの減少は、線形領域におけるそれよりも急峻であることが見出され、その結果、リコネクションが加速される。このような流体変位によるポテンシャルエネルギーの解放は、高温トカマクプラズマにおける小さな散逸効果によって減衰されない、非定常で強い対流流を引き起こす。スラブ幾何学における直接数値シミュレーションは、非線形成長に関する理論的予測を裏付けるものである。