Twisted magnetic flux ropes are ubiquitous in laboratory and astrophysical plasmas, and the merging of such flux ropes through magnetic reconnection is an important mechanism for restructuring magnetic fields and releasing free magnetic energy. The merging-compression scenario is one possible start-up scheme for spherical tokamaks, which has been used on the Mega Amp Spherical Tokamak (MAST). Two current-carrying plasma rings or flux ropes approach each due to mutual attraction, forming a current sheet and subsequently merge through magnetic reconnection into a single plasma torus, with substantial plasma heating. Two-dimensional resistive and Hall-magnetohydrodynamic simulations of this process are reported, including a strong guide field. A model of the merging based on helicity-conserving relaxation to a minimum energy state is also presented, extending previous work to tight-aspect-ratio toroidal geometry. This model leads to a prediction of the final state of the merging, in good agreement with simulations and experiment, as well as the average temperature rise. A relaxation model of reconnection between two or more flux ropes in the solar corona is also described, allowing for different senses of twist, and the implications for heating of the solar corona are discussed.
磁気フラックスロープは、実験室プラズマと天体プラズマの両方において普遍的に存在し、その磁気リコネクションによる合体は、磁場構造の再編成と自由磁気エネルギーの解放における重要なメカニズムである。合体圧縮シナリオは、球状トカマクの立ち上げ方式の一つであり、メガアンペア球状トカマク（MAST）において実証されている。2つの電流を伴うプラズマリング（磁気フラックスロープ）は、相互引力により接近し、電流シートを形成した後、磁気リコネクションを介して単一のプラズマトーラスへと合体し、その過程で substantial なプラズマ加熱が生じる。本論文では、強いガイド磁場を含む二次元抵抗性およびホールMHDシミュレーションによるこの過程の解析結果を報告する。さらに、ヘリシティ保存に基づく最小エネルギー状態への緩和を仮定した合体モデルを提示し、従来の研究を緊密なアスペクト比を持つトロイダル幾何学へ拡張する。このモデルは、合体後の最終状態と平均温度上昇について予測を与え、シミュレーションおよび実験結果と良好な一致を示す。また、太陽コロナにおける複数のフラックスロープ間のリコネクションについても、異なるツイスト符号を許容する緩和モデルを用いて考察し、太陽コロナ加熱への示唆について議論する。