燃烧等离子体中阿尔芬波及其alpha粒子激发的动理学不稳定性

This proposal is to study Alfven instabilities excited by alpha particles produced during thermonuclear reactions in magnetic confinement fusion plasmas. Based on analysis of the energetic alpha particles and the associated Alfven activities in burning plasmas, the kinetic contributions of these alphas are included in the magnetohydrodynamic-gyrokinetic system for Alfven waves. According to these considerations, field-particle hybrid simulation codes are developed, with the help of theoretical modeling and numerical design, to demonstrate the stability features of Alfven modes (including the typical discrete Alfven eigenmodes and the energetic particle continuum modes) kinetically destabilized by alpha particles in burning plasmas. The potential effects on alpha particle control and plasma confinement are investigated for operation parameters of tokamak experiments.

本项目申请拟在回旋动理学框架下探索磁约束聚变燃烧等离子体中热核反应产生的alpha粒子（氦原子核）所引发的阿尔芬不稳定模式的物理行为及其支撑机制。通过分析等离子体燃烧条件下高能量alpha粒子在托卡马克约束磁场位形中的运动特征及其相关的阿尔芬行为的物理特点，将这些alpha粒子动理学贡献引入到用以描述阿尔芬波演化物理的磁流体力学-回旋动理学耦合系统中来。由之完成关于alpha粒子共振激发阿尔芬不稳定性的波场-粒子相互作用体系的理论建模、数值方案设计、以及混合模拟程序编码研发。据此演示探究这些阿尔芬模式（包括典型的离散阿尔芬本征模与高能量粒子连续谱模）在燃烧等离子体中alpha粒子作用下的不稳定性物理特征，并结合具体实验装置的参数条件来探讨其对alpha粒子有效控制以及等离子体约束性能的影响。

燃烧等离子体中高能量alpha粒子(氦原子核)与阿尔芬波(Alfven wave)相互作用所引发的动理学(kinetic)不稳定性是磁约束聚变能源开发探索中的前沿物理课题。该项目研究通过构建包括alpha粒子在内的高能量快粒子与阿尔芬波相互作用的耦合模型，来研发相应的磁流体力学-回旋动理学混合数值模拟方案编码，进而探究燃烧等离子体条件下alpha粒子以及其它高能量快粒子经由波场-粒子共振过程所激发的阿尔芬模式的动理学演化机制。主要包括：侧重波场-粒子共振过程来实现alpha等高能量快粒子与阿尔芬波耦合的理论建模，参照耦合模型的结构特点来设计磁流体力学-回旋动理学混合数值方案并完成计算机程序的编码调试与物理校验，就托卡马克磁场约束位形下各种粒子在阿尔芬波场中的不同运动特点来分析演示波场-粒子共振机理，依照共振模型的明晰思路来探讨阿尔芬本征模(AE)和高能量粒子模(EPM)这两大类阿尔芬模式在alpha等成分粒子共振作用下的动理学演化的特征机制，参照一种具有良好束缚态特征的离散阿尔芬本征模来分析波场-粒子共振条件对阿尔芬波与不同粒子匹配的物理选择机制(这也有益于初始值方法对本征值方法的共振演示)，结合具体托卡马克装置条件在模型化物理基础上考查高能量快粒子包括alpha粒子对阿尔芬模式的动理学激发特征及演化机理。同时，项目研究当中的注重物理过程清晰之考虑也有助于该领域的研究生培养工作。