托卡马克等离子体转动对漂移波湍流激发带状流的影响

Nonlinear excitation of zonal flow by plamsa turbulence is a key issue in the studies of confinement and turbulent transport in tokamak plasmas, and the researches on the effects of the plasma roation on the instabilities and nonlinear processes are very important. In this project, the excitation of zonal flow by drift waves will be studied in tokamak plasmas with poloidal rotation and genearl plasma rotation. From the parametric excitation theory and the wave kinetic theory, the nonlinear excitation equations of the zonal flow excitation by drift wave turbulence will be derived in tokamaks with poloidal rotation and general plasma rotation, respectively. With the analytical solutions of the nonlinear excitation equations given for the two conditions, the effects of the poloidal rotation and the genearal plasma rotation will be analyzed for different cases. At last, the nonlinear excitation equations will be numerically examined. This project is of great significance to the tokamak fusion reactor with high performance and steady state operation in the future.

等离子体湍流激发带状流是托卡马克约束与反常输运研究的重要课题之一，关于等离子体转动对不稳定性和非线性过程影响的研究具有重要意义。本项目拟从理论上研究托卡马克等离子体极向转动和一般等离子体转动对漂移波湍流激发低频带状流和测地声模过程的影响。分别根据参量激发理论和波动理学理论，推导出具有极向转动和一般等离子体转动的托卡马克中漂移波湍流激发低频带状流和测地声模的非线性激发方程。通过求出不同情况下的非线性激发方程的解析解，分析不同条件下的非线性过程中的极向转动效应和一般等离子体转动效应。最后对相应的非线性激发方程进行数值求解。开展这一课题对实现托卡马克聚变堆高性能稳态运行具有重要意义。

湍流激发带状流是托卡马克约束和反常输运研究的重要问题之一，转动对等离子体非线性过程及阻尼的影响是一个重要的研究方向。本项目研究了托卡马克转动对漂移波湍流激发带状流过程以及托卡马克转动对测地声模阻尼影响的解析理论，并进行数值计算。结果表明：首先，转动对漂移波湍流激发低频带状流的影响与漂移波泵波的振幅有关，当漂移波泵波振幅低于一定阈值，则转动促进漂移波湍流对低频带状流的非线性激发；当漂移波泵波振幅高于一定阈值，则转动抑制漂移波湍流对低频带状流的非线性激发。另外，当转动不为零时，只要存在一定的漂移波泵波，则低频带状流的非线性增长率一定不为零。其次，将等离子体运动方程进行傅里叶分解，将小尺度漂移波湍流由Wigner函数来描述，从而可以得到波动理学方程中对应的广义波作用量密度函数的数学形式。于是，根据波动理学方程，我们可以得到漂移波湍流作用量密度函数对测地声模场响应的表达式，而根据测地声模径向电流方程可以得到漂移波湍流激发测地声模的方程。最终可以得到漂移波湍流激发测地声模过程的非线性色散关系的一般表达式。再次，测地声模粘滞阻尼随转动马赫数增加而具有一定的增加，这改变了我们之前关于测地声模阻尼与转动无关的物理图像。转动对测地声模粘滞阻尼影响可以做如下理解：一方面，测地声模频率随着转动马赫数的增加而增加，另一方面，测地声模粘滞阻尼随转动频率增加而增加。因此，测地声模粘滞阻尼随转动马赫数的增加而增加。最后，回旋动理学研究结果表明，在低碰撞区，对于小安全因子区间，测地声模碰撞阻尼率随着转动马赫数的增加而减小，对于大安全因子区间，测地声模碰撞阻尼率随着转动马赫数的增加而增加。在高碰撞区。对于任意安全因子区间，测地声模碰撞阻尼率都随着转动马赫数的增加而增加。