考虑磁场对碰撞影响的等离子体新经典输运过程的理论与模拟研究

Neoclassical transport considering the magnetic field effects on collisions is a fundamental problem in the plasma research, which is of great significance for understanding the plasma transport processes in tokamak. In this proposal, theory and simulation research on neoclassical transport processes in strongly magnetized plasmas will be carried out based on our previously obtained magnetized Fokker-Planck equation. Analytical expressions of the neoclassical transport coefficients such as the particle diffusion coefficient, thermal diffusivity, and electrical resistivity will be derived considering the magnetic field effects on collisions, whose physical significance will be explained simultaneously.

考虑磁场对碰撞影响的新经典输运是等离子体研究中的一个基础性问题，对理解托卡马克装置中的等离子体输运过程具有重要意义。本项目将从申请人先前得到的磁化Fokker-Planck方程出发理论与模拟研究强磁化等离子体中的新经典输运过程，导出考虑磁场对碰撞影响的粒子扩散系数、热扩散系数及电阻等新经典输运系数的解析表达式，并阐释其物理意义。

强磁场是增强等离子体约束、实现受控核聚变反应的重要手段。当前运行的典型托卡马克装置的磁场强度都可以达到几特斯拉（Tesla），例如东方超环（EAST）磁场强度为3.5特斯拉；中国聚变工程实验堆（CFETR）设计的磁场强度可以达到6.5特斯拉，一些紧凑型托卡马克装置如SPARC设计磁场强度可高达10特斯拉以上。对于这些强磁场托卡马克等离子体，特别是靠近边界处，电子热回旋半径远小于Debye屏蔽长度，因此在研究碰撞输运时需要考虑磁场对碰撞的影响，这对于理解强磁场托卡马克输运过程非常重要，同时也是等离子体物理研究中的一个基础性问题。. 本项目目标是得到考虑磁场对碰撞影响的各种碰撞输运系数。为了达到这个目标，我们首先采用Fokker-Planck方法导出了均匀等离子体全磁化Balescu-Lenard-Guersey方程、非均匀等离子体离子全磁化动理学方程以及电子之间碰撞反射过程引起的电子平行速度散射及相关碰撞项。基于上述方程，我们理论研究了强磁场等离子体中的电阻、粒子碰撞输运以及电子之间碰撞反射过程引起的垂直热输运，发现：强磁场减小平行电阻、增大垂直电阻，垂直电阻表达式含有一个双对数项。强磁场增大经典粒子输运过程对应的碰撞频率，且考虑碰撞过程非局域性会引入一个新的粒子流，加快粒子输运；强磁场对流体区中新经典粒子输运系数的唯一改变是Coulomb对数中的Debye长度被电子热回旋半径所取代。电子之间碰撞反射过程会导致随机行走步长为Debye长度的热输运，当电子热回旋半径远小于Debye长度时，该热输运可超过传统经典热输运。我们还开发了导心相空间粒子轨道模拟代码以及均匀全磁化电子Fokker-Planck代码并完成了基准测试，目前正把两个代码结合起来以用于模拟研究强磁场等离子体碰撞输运过程。. 该项目研究结果在一定程度上完善了等离子体基础理论，有助于对强磁场托卡马克物理过程的理解。