阿尔芬共振向磁重联转换的理论与数值研究

Alfvén resonance and magnetic reconnection are two kinds of singular current structures in magnetized plasma. Many phenomenon, such as coronal heating in solar plasma, substorm in space plasma, and ‘mode locking ‘ in fusion plasma are related to them. Although the history which study of Alfvén resonance and magnetic reconnection has been studied by a few decades, people begin to be interested in the relation between Alfvén resonance and magnetic reconnection, and a series of studies on the transition between them has been shown with resistive magnetohydrodynamic (MHD) model in these years. However, the regime of transition is still not clear up to now. Moreover, the related study has not been developed in collisionless plasma which is common in space and fusion. Therefore, it is motivated to build up a theoretical model of the transition between Alfvén resonance and magnetic reconnection, and develop a self adaptive mesh code to deal with the singular solution in singular layer. The physical regime of transition will be studied with both resistive MHD and Hall MHD. The results of this project will provide a model for cornal heating in the frequency range between Alfvén resonance and magnetic reconnection. Moreover, The resonant magnetic perturbation (RMP) coils have been fixed on the fusion devices in Hefei and Chengdu. This project will be also helpful for the studies which is associated with the rotating plasma response to a static resonant magnetic perturbation field.

阿尔芬共振与磁重联是磁化等离子体中两种重要的奇异电流结构，如日冕加热、磁层亚暴及“锁模”等很多天体、空间及聚变等离子体中的现象都与两者有关。虽然阿尔芬共振与磁重联的理论已研究了几十年，但近几年国际上才开始关注两者的联系，并在电阻磁流体模型下展开了有关两者转换的研究。然而到目前为止，转换的物理机制仍不清楚，而对于空间及聚变中更常见的无碰撞等离子体，相关研究仍未开展。故申请者拟建立阿尔芬共振向磁重联转换的理论模型，开发适合解决奇异层问题的自适应非均匀网格code，采用理论解析和数值模拟相结合的方法，分别对电阻及霍尔（Hall）电流主导下的转换的物理机制展开研究。本项目的预期成果将为位于磁重联和阿尔芬共振之间的中间谱段的日冕加热问题提供模型与参考。另外，合肥和成都两所的聚变装置都已安装共振磁扰动（RMP）线圈，本项目的成果也将对旋转等离子体对共振磁扰动场响应的实验研究提供理论支持。

阿尔芬共振与磁重联作为奇异电流结构广泛的存在于空间及实验室磁化等离子体中。空间的奇异结构，即局域的大梯度，意味着系统存在大量自由能，因此奇异电流结构与许多时间爆发快，能量释放剧烈的磁流体不稳定性有关。在磁约束核聚变领域，作为磁流体不稳性的一种，边缘局域模一直是托卡马克物理理论及实验界所关心的热点问题。特别是在有理面附近的奇异电流会屏蔽等离子体外加共振磁扰动场，使其无法有效地渗透到等离子体内部从而对边缘局域模加以控制。近年来研究发现，随着等离子体流速的变化，对应不同的奇异电流结构，等离子体的屏蔽存在不同的机制。因此本项目主要关注等离子体对外加扰动场的响应这一热点问题，利用磁流体不稳定性程序MARS研究不同的平衡剖面下的屏蔽机制及相应的奇异电流结构的转换。.由于等离子体平衡流的存在，磁面上各平衡量在极向上有分布，此时对应的平衡量是二维分布。因此本项目的研究分两个方面。一方面，利用现有的MARS程序，考虑非自洽的带有等离子体旋转的一维平衡。研究表明，当等离子体旋转速度较低时，有理面附近存在双峰的奇异电流结构，而转速达到一定阈值后会产生单峰的屏蔽电流。两种奇异电流结构，前者对应GGJ屏蔽机制，后者对应RI机制。当有理面附近存在大磁岛时，GGJ的屏蔽电流的奇异结构发生改变，屏蔽效果消失，而极向变化的等离子体旋转对两种屏蔽电流的奇异结构影响不大，但会改变相应的转换阈值。另一方面，为了考虑自洽的二维平衡，本项目对MARS程序进行升级，涉及对MARS的模型修改以及MARS与二维平衡计算程序FLOW接口程序的编写。升级后的MARS程序可以计算带有一般剖面的等离子体平衡流及具有各项异性的平衡压强的磁流体力学问题，为今后考虑奇异电流转换的线性及准线性过程打下基础。