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Rotating twisted filaments buoyancy: comparison between the convective region of the sun and the edge of a tokamak plasma

F Alladio, A Mancuso, P Micozzi2008年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The filament state of a magnetic field is the usual way for plasmas to avoid magnetic inhibition of convective overturning. However, it requires dynamo conversion of kinetic into magnetic energy and is therefore often associated with a plasma velocity shear layer. In the sun, isolated current carrying magnetic filaments (twisted flux tubes) are produced by the solar dynamo from a continuous strong toroidal field, sitting just below the radiative–convective transition, on the Sun rotation shear layer (tachocline, rTach ∼ 2 · R⊙/3 in terms of the solar radius, R⊙). The twisted flux tubes, become buoyant; some of them fall back into the tachocline adding up to the continuous toroidal field; some emerge from the photosphere kinked and twisted, reconnect and produce flares. In the mode of high magnetic confinement (H-mode), when a magnetic separatrix bounds the axisymmetric tokamak discharge and a sheared plasma rotation is present, magnetic filaments with concentrated internal currents (edge localized modes) are produced near the velocity shear layer (pressure pedestal, at rPed ⩾ 0.94aSep in terms of the minor radius of the plasma boundary, aSep): again a dynamo conversion of kinetic into magnetic energy is required in order to filament the current density at the pedestal. The current carrying filaments break the unperturbed axisymmetric tokamak equilibrium, producing ergodicity in the edge plasma. The faster loss of energy from the ergodic plasma makes the rotating magnetic filaments outboards anti-buoyant: therefore they convect outboards from the pedestal. The anti-buoyancy and motion model for the tokamak case is compared with the buoyancy model for the Sun.

日本語訳

磁場のフィラメント状態は、プラズマが対流反転の磁気的抑制を回避する通常の方法である。しかし、それには運動エネルギーから磁気エネルギーへのダイナモ変換が必要であり、そのためしばしばプラズマ速度シア層と関連付けられる。太陽では、放射対流境界の直下に位置する太陽回転シア層(タコクライン、太陽半径R⊙に対してrTach ∼ 2・R⊙/3)において、太陽ダイナモが連続的な強いトロイダル磁場から孤立した電流担持磁気フィラメント(ねじれた磁束管)を生成する。ねじれた磁束管は浮力を持ち、その一部はタコクラインに落下して連続的なトロイダル磁場に加わり、一部はねじれて曲がった状態で光球から出現し、再結合してフレアを生成する。高磁気閉じ込めモード(Hモード)では、軸対称トカマク放電を磁気セパラトリックスが境界付けるとき、プラズマ境界の小半径aSepに対してrPed ⩾ 0.94aSepの速度シア層(圧力ペデスタル)の近傍で、集中した電流を持つ磁気フィラメント(エッジ局在モード)が生成される:ここでもまた、ペデスタルにおける電流密度をフィラメント化するために、運動エネルギーから磁気エネルギーへのダイナモ変換が必要である。電流担持フィラメントは、摂動を受けていない軸対称トカマク平衡を破壊し、エッジプラズマにエルゴード性を生み出す。エルゴードプラズマからのより速いエネルギー損失により、回転する磁気フィラメントはアウトボード側で反浮力となる:したがって、それらはペデスタルからアウトボード側に対流する。トカマクの場合の反浮力・運動モデルは、太陽の場合の浮力モデルと比較される。

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