EAST托卡马克装置上鱼骨模的模拟研究

Fishbone instabilities are internal kink modes driven by energetic particles, and they could lead to large energetic particle transport and associated losses. As a result, understanding of fishbone instabilities is crucial in tokamak physics. So far, fishbone instabilities have been observed in the neutral beam injection plasmas in EAST tokamak. However, related numerical simulation of fishbones in EAST tokamak has not been carried out. This project plans to carry out numerical simulation of fishbone instabilities in EAST tokamak by using magnetohydrodynamic-kinetic hybrid code M3D-K. The simulation results will be compared to EAST experiment measurements directly, and the nonlinear evolution of fishbone instabilities, as well as the effects of toroidal rotation and passing particles on fishbone instabilities will be analysed, and the possibility to drive fishbone instabilities by using various auxiliary heating methods on EAST will be explored. The goal of this project is to provide the interrelated basis for the explanation, analysis and prediction of fishbone instabilities in EAST experiments.

鱼骨模是由高能粒子激发的内扭曲模不稳定性，该模式的存在会导致高能粒子的大量输运以及损失。因此，对于鱼骨模不稳定性的研究与理解是托卡马克物理中的一项重要内容。目前，在有中性束注入条件下的EAST托卡马克装置上观测到了鱼骨模不稳定性，但是缺乏相关的数值模拟工作。本项目拟针对EAST托卡马克装置，使用磁流体-动理学混合模型程序M3D-K开展鱼骨模的数值模拟工作，重现实验中所观测到的鱼骨模不稳定性，分析鱼骨模非线性扫频阶段演化特征以及环向旋转和通行离子对鱼骨模的影响，探索EAST装置上各种辅助加热手段激发鱼骨模的可能性。本课题的目标是为EAST实验中鱼骨模结果的解释、分析以及预测提供相关参考依据。

鱼骨模是由高能粒子激发的内扭曲模不稳定性，该模式的存在会导致高能粒子的大量输运以及损失。因此，对于鱼骨模不稳定性的研究与理解是托卡马克物理中的一项重要内容。2014年，在有中性束注入条件下的EAST托卡马克装置上首次观测到了鱼骨模不稳定性，但是缺乏相关的数值模拟工作。本项目针对EAST托卡马克装置，使用磁流体-动理学混合模型程序M3D-K开展鱼骨模的数值模拟工作，重现了实验中所观测到的鱼骨模不稳定性，分析鱼骨模非线性扫频阶段演化特征。另外，本项目模拟发现在EAST参数条件下，当高能离子压强增大到超过一定阈值时，被激发的不稳定性会由鱼骨模转变为更高频率的比压阿尔芬本征模。另外，本项目针对EAST参数开展了反剪切安全因子剖面条件下鱼骨模的数值模拟工作，分析了双q=1面鱼骨模以及非共振鱼骨模的线性不稳定性以及非线性演化。此外，本项目开展了EAST参数条件下环向阿尔芬本征模不稳定性模拟研究、高阶q=1高能量粒子不稳定性的模拟研究、通行高能量离子激发鱼骨模相关理论模拟研究等等，为EAST实验中高能量粒子激发不稳定性结果的解释、分析以及预测提供相关参考依据。