多螺旋新经典撕裂模的数值模拟研究

Neo-classical tearing modes (NTMs) are one of the main magnetohydrodynamics (MHD) instabilities for triggering the disruptions of tokamak confinement. Recently it was observed that the NTMs can be excited on different q=2/1, 3/2, 4/3 rational surfaces and then interact with each other in large magnetic devices such as JET and DIII-D, forming the multiple NTMs of the more complicated MHD activities. Nevertheless, the theoretical and numerical investigations on the multiple NTMs are much less as compared to the worldwide observations. This project will investigate the physical processes of nonlinear evolutions of multiple NTM interactions, using our self-developed large-scale code (MHD@DLUT Code). We would try to explore how to effectively suppress the multiple NTMs through plasma rotation, RMP and ECCD, and then understand the underlying mechanisms of the key physical processes. The aim of this project is to provide the theoretical basis for effectively avoiding or suppressing the NTM-induced locking mode or disruption, and to develop our large-scale simulation code with independent intellectual property right, which includes modules of various controls.

新经典撕裂模（NTMs）是诱发大破裂的主要磁流体不稳定模式，会严重破坏托卡马克的安全稳定运行。近年来，在JET、DIII-D等大装置上都观测到了在 q=2/1, 3/2, 4/3 等有理面上同时激发的NTMs会相互竞争和相互作用，形成了物理过程更加复杂的多螺旋NTMs非线性磁流体活动。然而，相对于实验上对多螺旋NTMs的观测，国际上对多螺旋NTMs的理论和数值模拟研究严重滞后。本项目拟利用自主开发的可用于研究多螺旋NTMs的大型磁流体程序（MHD@DLUT Code），研究多螺旋NTMs非线性相互作用的物理过程，探索如何利用等离子体旋转、RMP和ECCD有效抑制多螺旋NTMs的物理可行性，深入理解其中关键问题的物理机理。本项目的完成将为有效避免或抑制多螺旋NTMs诱发的锁模以及大破裂提供必要的理论依据，同时可以进一步发展我们具有自主知识产权的（且包含多种控制功能的）大规模磁流体代码。

先进托卡马克的稳态运行是聚变堆物理的关键物理问题之一，也是国际热核聚变实验堆ITER主要目标之一。避免等离子体大幅度的脉冲式行为是稳态运行的前提，而托卡马克实验中最严重的脉冲式行为就是等离子体大破裂。新经典撕裂模则是托卡马克高比压放电实验中促使等离子体破裂的最主要不稳定性之一，其对于高性能的先进托卡马克（如ITER）来说是非常危险的。因此撕裂模及其控制的研究是当今托卡马克等离子体撕裂模不稳定性研究领域的热点方向。然而，相对于实验上对新经典撕裂模已开展的广泛研究，新经典撕裂模的理论和数值模拟相对滞后，并且大多数模拟仅仅局限于单螺旋度下，国内在新经典撕裂模数值模拟方面滞后更加明显。本项目利用自主开发的可用于研究新经典撕裂模的大型流体程序，在多螺旋新经典撕裂模的非线性演化过程及其主动控制方面取得较大进展，为实验上更好的控制新经典撕裂模提供了重要理论支撑。相关研究工作在国际重要期刊上发表SCI论文8篇。