磁约束聚变等离子体的大规模回旋动理学模拟

文章介绍了磁约束核聚变能源科学及其密切相关的聚变等离子体物理,以及研究磁约束聚变等离子体非线性物理所必需的大规模回旋动理学模拟的方法及其前沿进展.

EAST装置中捕获电子模线性增长率的回旋动理学模拟

基于全超导托卡马克(experimental and advanced superconducting tokamak, EAST)中以电子加热为主的放电试验,使用GTC(Gyrokinetic Toroidal Code)代码进行线性回旋动理学模拟,研究等离子体参数对捕获电子模(trapped electron mode, TEM)线性增长率(γ)的影响。结果表明,γ随电子与离子温度比( T e / T i )和归一化电子温度梯度( R / L T e )的增大而增大,但随着归一化密度梯度( R / L n )的增加而降低。安全因子( q )和磁剪切( s ∧)对TEM线性增长率的影响与归一化半径范围内(ρ<0.4) s ∧值的大小有关。当 s ∧>0.3时,γ随着 q 的增大而增大,随着 s ∧的增大而减小,与简化模型的理论分析一致。然而,当 s ∧<0.3时出现了相反的结果,即γ随 q 的增大而减小,随着 s ∧的增大而增大,其原因可能是较小的 s ∧无法抑制TEM湍流。

基于电子回旋动理学和离子完全动理学的电流片不稳定性的模拟研究

采用电子回旋动理学和离子完全动理学模拟程序研究了电流片中的不稳定性问题,其中考虑了自洽电流和额外激励电流两种情况.通过对电子采用回旋平均处理,该模拟方法相对于电子离子完全动理学模拟更为经济有效,同时还保留了重要的电子拉莫尔半径、波粒共振、电子的热压力非对角项等效应.该理论框架涵盖了从低频大尺度磁流体问题到高频小空间尺度例如低杂波以及哨声波等.模拟结果给出了电流片不稳定性的实空间分布结构以及线性增长率随物理参量的依赖关系.进一步分析表明,电流片中心不稳定性为静电模式,该不稳定性不足以激发快速磁场重联.此外给出了带电粒子速度各向异性的理论推导过程.

离子温度梯度模湍流扩散特性的量化描述

采用回旋动理学模型对无剪切平板位形中离子温度梯度模(ITG)湍流扩散的物理特性进行了数值模拟研究。提出了湍流有效扩散距离的描述方法,定量地讨论了湍流扩散性质对磁场位形因子和离子温度梯度特征长度的依赖关系。结果显示,随着极向磁场的减小,湍流扩散增强;随着离子温度梯度特征长度的增加,湍流扩散减弱。更重要的是,通过对比ITG和ETG湍流以及不同碰撞阻尼下的ITG湍流中的湍流扩散特征,论证了带状流对ITG湍流扩散的影响。模拟结果表明,在此模型下,带状流对湍流扩散具有明显的抑制作用。

托卡马克中离散阿尔芬不稳定性的动理学分析

动理学是描述等离子体的重要方法。本文介绍了动理学的一种近似处理——回旋动理学,并在简单模型下演示了线性回旋动理学方程近似过程。结合ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)设计参数和模拟放电实验数据,利用线性回旋近似研究环形聚变等离子体中高能量粒子的动理学效应对离散阿尔芬本征模(αTAE)的影响。

反磁剪切托卡马克等离子体中低频剪切阿尔芬波的理论研究

位于动理学热离子带隙附近的低频阿尔芬扰动因可以与高能量粒子或背景热粒子发生相互作用而引起了广泛的关注.本文在一般鱼骨模色散关系的理论框架下,针对反磁剪切托卡马克等离子体中观测到的由高能量粒子或者背景热粒子激发的低频剪切阿尔芬波的线性特性进行了一系列的理论研究.由于这些低频剪切阿尔芬波与2019年DⅢ-D开展的专门研究高能量离子驱动低频不稳定的实验密切相关,因此本文通过采用DⅢ-D具有代表性实验的平衡参数,证明了实验上观测的低频模和比压阿尔芬本征模分别是以阿尔芬极化为主的反应型和耗散型不稳定模,因此,将前者称为低频阿尔芬模更准确.由于受逆磁和捕获粒子动理学效应的影响,低频阿尔芬模既可以在低频区(频率小于热离子的渡越或反弹频率)与比压阿尔芬声模耦合,又可以在高频区(频率大于或近似等于热离子的渡越频率)与比压阿尔芬本征模耦合,此外,由于受到不同激发机制的影响,与局域在安全因子最小值有理面附近的低频阿尔芬模相比,驱动比压阿尔芬本征模的高能量离子的压强梯度在偏离安全因子最小值的有理面时达到最大值,相应的比压阿尔芬本征模的本征函数在高能量离子驱动最大的径向位置处出现峰值.通过改变安全因子最小值理论上重现了实验上观测的比压阿尔芬本征模和低频阿尔芬模的上升频谱特征.研究还表明,比压阿尔芬声模由于受到强烈的朗道阻尼,因而很难被高能量粒子激发,这与基于第一性原理的理论预测和模拟结果一致.本文证明了一般鱼骨模色散关系在解释和预测实验和数值模拟结果方面的强大能力.

径向电场对离子温度梯度模稳定性的影响

为了理解托卡马克装置中给定径向电场对离子温度梯度模(ITG)稳定性的影响,基于非线性回旋动理学理论和气球模表象推导了环位形下包含径向电场引起的极向流和密度扰动影响的ITG的本征模方程,并分别在长/短波长极限下研究了高能量粒子诱发测地声模(EGAM)所伴随的径向电场对ITG的本征频率、增长率和平行模结构的影响.不仅对该本征模方程进行了理论研究,还使用本征矩阵法对其进行数值求解,以便对理论结果进行验证.研究发现EGAM伴随的电场引起的极向转动会大幅降低ITG的增长率,而极向模数m=1的密度扰动对ITG的线性稳定性影响很小.这一结果与一般认为的带状流通过极向流剪切抑制湍流的结果是一致的.除此之外,使用本文发展的一般性方法也可以研究高能量粒子激发的阿尔芬不稳定性与漂移波湍流通过阿尔芬不稳定性激发带状结构发生的间接非线性相互作用,即带状结构所伴随的径向电场通过极向转动和密度扰动影响ITG的稳定性.该间接非线性通道可以作为对主导背景等离子体输运的微观湍流和主导高能量粒子输运的阿尔芬不稳定性之间的直接相互作用通道的补充.

仿星器W7-X中氢同位素对微湍流的影响

阐明氢同位素对微观湍流的影响对提高等离子体约束性能至关重要,本文使用全局回旋动理学模拟研究了仿星器W7-X中氢同位素对ITG微湍流的影响。线性模拟表明W7-X中氢同位素等离子体ITG微观湍流归一化增长率符合回旋玻姆标度的离子质量依赖关系,即γ/k⊥2∝mi1/2。离子质量对ITG模环向耦合谐波数量有明显的影响,即氢同位素离子质量越重,其ITG模环向耦合谐波越少。非线性模拟表明带状流可以打散离子温度梯度模模结构,减小涡流尺寸,抑制湍流输运,且氢同位素离子质量越重,带状流对其湍流的抑制作用越强。