新经典撕裂模种子磁岛的产生机制及其抑制的回旋动理学研究

The instability of the neo-classical tearing mode (NTM) in tokamak plasma severely limits the operating parameters of the plasma and even leads to the plasma disruption. At present, one usually use the magnetohydrodynamic equations to study NTM suppression. However, in the plasma with high temperature, kinetic effects, such as orbital effects of both thermal and energetic particles, will become important and affect the behavior of the NTM. A more realistic first-principles gyro-kinetic model will predict the behavior of the NTM more accurately. Basing on the first-principles, using the gyro-kinetic method and combining with the relevant experimental results of the main equipment in China, this project will simulates the trigger of NTM, the evolution of seed magnetic island, the nonlinear growth process of NTM as well as the effect of energetic particles on NTM instability, analyzes how to suppress NTM by controlling sawtooth oscillations, and study the influence of various physical factors (such as different seed magnetic island size, bootstrap current effect, polarization current effect, plasma transport effect, plasma shape) on the nonlinear evolution process of the neo-classical tearing mode magnetic island. The project will increase the understanding of physical processes of NTM evolution and suppression in tokamak plasma, and to provide the reference for related experimental research.

托卡马克等离子体中的新经典撕裂模（NTM）不稳定性严重限制了等离子体的运行参数，甚至导致等离子体的放电破裂。当前主要采用磁流体力学方法研究NTM触发及演化过程。然而，在高温等离子体中，热粒子和高能粒子的轨道效应、波-粒子相互作用等动理学效应非常重要，采用第一性原理的回旋动理学模拟将更为准确地模拟NTM的产生及演化。本项目将基于第一性原理，采用回旋动理学方法，结合国内主要装置的相关实验结果，系统模拟NTM的触发，种子磁岛的演化，NTM非线性增长过程，以及高能量粒子等效应对NTM不稳定性的影响，分析如何通过控制锯齿来抑制NTM，并研究各个物理因素（例如不同种子磁岛大小、自举电流效应、极化电流效应、等离子体输运效应、等离子体位形）等对新经典撕裂模磁岛非线性演化过程的影响，增加对托卡马克中NTM演化以及抑制等物理过程的理解，为相关实验的开展提供重要依据。

托卡马克等离子体中的新经典撕裂模（NTM）不稳定性严重限制了等离子体的运行参数，甚至导致等离子体的放电破裂。当前主要采用磁流体力学方法研究NTM触发及演化过程。然而，在高温等离子体中，热粒子和高能粒子的轨道效应、波-粒子相互作用等动理学效应非常重要，采用第一性原理的回旋动理学模拟将更为准确地模拟NTM的产生及演化。本项目基于第一性原理，通过发展理论模型和开展数值模拟，采用回旋动理学方法，结合国内主要装置的相关实验结果，系统模拟NTM的触发，种子磁岛的演化，NTM非线性增长过程，以及高能量粒子等效应对NTM不稳定性的影响，分析如何通过控制锯齿来抑制NTM，并研究各个物理因素（例如不同种子磁岛大小、自举电流效应等）等对新经典撕裂模磁岛非线性演化过程的影响。我们发展了GTC程序中的NTM模块，并将其进行了校验。采用回旋动理学NTM模块获得了NTM的增长率，模结构等性质。动理学模拟结果表明，热离子的动理学效应对NTM具有致稳效应；弱磁剪切可以明显降低撕裂模的增长率。同时，给出了HL-2A/M 装置上完全抑制NTM 所需要的电子回旋波波功率。我们还研究了磁岛和湍流之间的非线性相互作用。实验观测表明，随着磁岛（MI）变大，GAM与湍流之间的非线性相互作用的强度以及调制作用通常呈现逐渐衰减，而M与后者之间的耦合增强。磁岛主要减少了GAMs与电位涨落之间的耦合，而密度涨落与MIs之间的非线性相互作用的变化更为明显。还讨论了在存在静磁岛的情况下实验和非线性全局回旋动理学模拟之间的比较。我们对NTM的回旋动理学模拟对未来高温等离子体中NTM的控制实验具有重要的参考意义。