托卡马克中电阻壁模及其控制的理论与数值模拟研究

Theoretical and numerical studies on the physical mechanism and controlling of the resistive wall modes will be performed for some international magnetic confining fusion devices such as ITER, DIII-D and some domestic tokamak devices such as EAST, HL-2M and CFETR and for the property of high specific pressure plasma performances in future advanced tokamaks. The physical problems, such as, developing process of the resistive wall modes in high specific pressure, the effects of the plasma flows and the flow shears on the resistive wall modes, the kinetic effects such as the energetic particle effect on the resistive wall modes, the effect of the feedback controlling on the resistive wall modes, the effect of the resonant magnetic perturbation on the resistive wall modes, the synergetic effects of the feedback controlling, the plasma rotations and the kinetic influences on the resistive wall modes, controlling of the resistive wall modes, and so on, will be studied theoretically and numerically.

本项目将针对ITER、DIII-D等磁约束聚变装置以及国内的HL-2M、EAST、CFETR等托卡马克装置，针对未来先进托卡马克高比压等离子体运行的特性，开展电阻壁模物理机理和控制的理论和数值模拟研究。开展高比压等离子体中电阻壁模发展过程、等离子体流与流剪切对电阻壁模的影响、动理学效应如高能粒子效应等对电阻壁模的影响、反馈控制对电阻壁模的影响、共振磁扰动对电阻壁模的影响、以及反馈控制与等离子体旋转和动理学效应等对电阻壁模的协同作用、电阻壁模控制等物理问题的理论和数值模拟研究。

在托卡马克中，电阻壁模不稳定性是非常重要的宏观磁流体不稳定性，限制了托卡马克等离子体比压极限，严重时会造成等离子体大破裂。在先进托卡马克中，为了提高经济效益，需要对电阻壁模进行控制。电阻壁模的控制方法有被动控制和主动控制两种。很多托卡马克装置有反馈控制线圈，可用来控制电阻壁模，这种方法被称之为主动控制方法。但是，像我国即将建造的CFETR托卡马克装置，没有反馈控制线圈，在这类托卡马克装置中只能通过等离子体环向旋转来控制电阻壁模，这种方法被称之为被动控制方法。本项目采用MARS程序，针对ITER装置9MA先进稳态运行平衡位形，研究了被动控制和主动控制的共同作用对电阻壁模的影响。结果表明，被动控制和主动控制的共同作用可以降低稳定电阻壁模的等离子体环向旋转阈值，满足先进托卡马克运行要求。此结果为未来先进托卡马克稳态运行提供了理论支持。本项目采用MARS程序，针对CFETR装置11MA稳态反磁剪切平衡位形，研究了平行声波、捕获热粒子的进动共振和弹跳共振对电阻壁模的影响，采用的平衡位形有两个q=3的有理面。结果表明，平行声波、捕获热粒子的进动共振和弹跳共振对电阻壁模均有阻尼影响。在等离子体压强较低时，平行声波阻尼能够稳定电阻壁模。在两个q=3的有理面上电阻壁模最不稳定，而进动共振只发生在其中一个q=3的有理面上，因此，电阻壁模不能被进动共振稳定住。在进动共振和弹跳共振同时发生时，有两支根，一支是进动共振根，另一支是弹跳共振根，弹跳共振对电阻壁模有稳定作用。本项目采用MARS-K程序，针对CFETR装置13MA混合平衡位形，研究了动理学效应和等离子体环向旋转对电阻壁模的影响。结果表明，在q=2的有理面上，当等离子体环向旋转频率的增加时，电子抗磁频率、等离子体环向旋转频率和模式频率之和随着增加。当这些频率之和小于0时，捕获热粒子共振对电阻壁模有稳定作用。而当这些频率之和大于0时，捕获热粒子共振对电阻壁模有解稳作用，出现了第二支根。