托卡马克中低频阿尔芬连续谱及其相关的不稳定性

本项目探讨托卡马克（tokamak）等离子体中低频阿尔芬连续谱（Alfven continuum）频区所存在的阿尔芬波等相关波动模式及其与高能量粒子（energetic particle）以及主体热化粒子（core thermal particle）共振激发的不稳定性。在回旋动理学（gyrokinetics）框架下，构设回旋动理学-磁流体力学（magnetohydrodynamics）所描述的多组分等离子体的方程体系。借助于气球模表象，建立基本的理论模型方程。据此发展一套回旋动理学-磁流体力学混合数值模拟程序编码，并结合理论分析，用以探索有关低频阿尔芬连续谱范围内的各种波动模式的物理演化及机制。并参照具体托卡马克装置运行参数区域来分析这些不稳定性对等离子体约束的影响。

阿尔芬波(Alfven wave)及其相关的动理学(kinetic)不稳定性是磁约束等离子体中基本物理探索与具体应用研究诸方面一直受到人们普遍关注的重要课题，尤其在托卡马克(tokamak)装置中的聚变燃烧等离子体运行条件下与高能量粒子(energetic particle)的相互作用物理更是不容忽视的前沿研究方向。该项目致力于研发回旋动理学(gyrokinetics)-磁流体力学(magnetohydrodynamics)混合模拟程序编码，据以探索托卡马克等离子体中阿尔芬连续谱(Alfven continuum)低频区所存在的阿尔芬波等相关波动模式及其与高能量粒子以及主体热化粒子(thermal particle)相互作用而引发的不稳定性。项目研究按预定计划实施完成，其主要内容包括：在回旋动理学框架基础上建立托卡马克约束位形下阿尔芬连续谱低频区波动模式及其与等离子体不同成分不同能量粒子可能的相互作用的理论模型，借助于气球模理论表象进而设计波场-粒子的混合数值计算方案，由之编写调试相应的计算机模拟程序，阿尔芬模式的磁流体力学波动行为由有限差分格式实施数值离散表述，等离子体粒子运动行为由回旋动理学方程的扰动分布函数方法实施粒子离散表述，由此模拟不同成份不同能量粒子对阿尔芬模式的动理学贡献，演示不同频率范围内的阿尔芬模式通过各自的波场-粒子共振相互作用条件与燃烧等离子体中不同粒子的各种特征频率——进动频率(precessional frequency)、香蕉区回弹频率(bounce frequency)、通行频率(transit frequency)等——相匹配而演变成为相应的不稳定性，并参照具体托卡马克装置约束条件下的等离子体运行参数区域来分析这些不稳定性的物理特征及其对装置约束性能的影响。同时，该程序编码的研发结合了课题研究的具体条件，注意各基本物理过程的数值表征与程序体现，以利于在与大规模计算机模拟的相关研究合作中进一步澄清这些阿尔芬模式的不稳定演化过程及其支撑物理机制，且尽可能有效地支持磁约束等离子体物理研究中数值模拟人才的培养工作。