托卡马克等离子体边缘动力学气球模大规模数值模拟研究

Physics of the edge pedestal and edge localized modes is currently one of the most important areas in magnetic confined fusion plasmas, and is long believed to be closely related to the overall performance of a tokamak. The edge localized ideal and kinetic ballooning mode, and kinetic peeling-ballooning mode are considered to be the the main physical mechanism of the edge transport of takamak, and their linear stability property is one of the important factors that define the height and width of the edge pedestal of a tokamak in High-mode operation regime...Nonlinear dynamic effects, including the ion diamagnetic effects, wave-particle interactions, and finite Larmor radius effects are very important to the instability properities of the kinetic ballooning mode and the related edge transports. Such effects has not been fully studied till now. At present, most of the numerical simulations using fluid schemes and ignore the dynamic kinetic effect, while the first principle kinetic simulations focusing on nonlinear dynamic processes of the edge pedstal and edge localized mode is rare...In this project, we use the state-of-the-art, first principle global Gyrokinetic Toroidal Code (GTC), [1]to simulate the complex edge physics with multiple temporal and spatial scales. We will focus on the linear and nonlinear dynamical properities of the ideal and kinetic ballooning mode and kinetic ballooning mode driven by plasma pressure gradient.

边缘台阶区和边缘局域模物理是目前托卡马克磁约束聚变等离子体研究的重要内容。压强梯度驱动的理想气球模、动力学气球模被认为是托卡马克等离子体边缘局域模以及边缘输运的主要物理机制之一。它们的线性稳定性是制约高约束模运行托卡马克等离子体边缘台阶区宽度和高度的重要因素。.非线性动力学效应，包括离子抗磁效应、波-粒子相互作用、有限拉莫半径效应等，对动力学气球模不稳定性及其相关输运行为是非常重要的，但未被充分研究。目前，大多数数值模拟研究运用流体方案而忽略动力学效应，第一性原理动力学数值模拟方案对边缘台阶区和边缘局域模非线性动力学过程的研究尚不多见。.本项目中，我们运用第一性原理三维环形回旋动力学聚变模拟程序（Global Gyrokinetic Toroidal Code，GTC)，[1]从时域空域多尺度、高分辨率的角度，集中研究由压强梯度驱动的理想气球模和动力学气球模的线性和非线性动力学特性。

大规模数值模拟已经成为与理论分析和实验同等重要的磁约束核聚变研究途径之一，是深入理解托卡马克等离子体多模式多时空尺度复杂物理的重要手段。在过去近20年的ITER项目科学论证和总体设计过程中，大规模数值模拟发挥了关键作用。动力学气球模和剥离气球模的线性稳定性特性被认为是制约H模运行磁约束等离子体边缘台阶区宽度和高度的重要因素，动力学气球模湍流被认为是边缘局域不稳定性和输运的来源之一，非常需要对边缘局域模进行深入的研究。.本项目中，我们运用三维全域回旋动力学粒子模拟程序GTC集中研究由压强梯度驱动的理想气球模，得到了模结构、模强度增长率随环向模数的变化规律等，我们研究了理想气球模的线性不稳定性，获得线性稳定性阈值。.在理想气球模的基础上，考虑离子的有限拉莫半径效应和波-粒子相互作用的动力学效应，研究了动力学气球模。得到了动力学气球模模结构、模强度增长率和本征频率随磁压比、环向模数的变化规律等，获得有限拉莫半径效应和波-粒子相互作用对气球模的动力学效应。我们开展了对气球模非线性动力学行为的数值模拟研究，已经初步得到一些结果，如气球模和离子温度梯度模、俘获电子模之间可能存在非线性耦合及转化。我们对HL-2A的实验数据进行GTC模拟，初步判断存在动力学气球模现象。我们用GTC程序对托卡马克等离子体离子温度梯度模进行模拟，跟踪粒子在相空间的演化，计算粒子在相空间演化的赫斯特指数，从一个新的角度研究托卡马克等离子体湍流的演化和转换。.我们根据低杂波、离子伯恩斯坦波等的频率特点，将GTC中对离子的处理从回旋动力学模型改为完全动力学模型，在GTC程序中添加了模拟射频波的部分。通过全局粒子模拟研究了低杂波的线性模转换、传播，非线性吸收和参量衰变不稳定性, 以及离子伯恩斯坦波的参量衰变不稳定性。.我们基于DIII-D托卡马克实验的平衡数据，模拟H模边缘台阶区线性与非线性不稳定性，研究边缘台阶区KBM、TEM的性质和激发转换条件，实验结果得到很好的印证。