多空间相位调制电流驱动抑制新经典撕裂模的数值研究

Sustaining the long pulse and steady discharge of tokamak is the key physical and engineering problem of achieving plasma magnetic confinement fusion. Neoclassical tearing mode is one of the important magnetohydrodynamics instabilities presented in tokamaks, which can degrade the confinement by inducing energy loss, temperature and velocity reduction of the core plasma, which even lead to tokamak disruption. Electron cyclotron current drive is one of the most promising ways for controlling neoclassical tearing modes. In this project, physical models of neoclassical tearing modes including bootstrap current and multiple space phase modulated electron cyclotron current drive model are built by referring to the experimental methods and results of international devices. Based on the specific physicial problems during the suppression of neoclassical tearing modes by driven current, this project plans to simulate the physical processes of displacement, deformation and growth of magnetic islands caused by current drive; to study the mechanism of compensation of perturbed bootstrap current and the necessary condition of complete suppression; and to research on the suppression efficiency and mechanism of multiple space phases modulated driven current on rotating magnetic island. The aim of this project is to provide realistic numerical simulations by optimizing the model and parameters based on experiments, which could provide references for successful suppression of neoclassical tearing modes in future advanced tokamak such as ITER.

维持托卡马克装置长脉冲稳态运行是实现等离子体磁约束聚变反应关键的物理和工程问题。新经典撕裂模是托卡马克中主要的磁流体不稳定性之一，由其引起的芯部等离子体能量损失、温度下降及流速降低等问题会引发装置大破裂。电子回旋波电流驱动是目前用于抑制新经典撕裂模的主要手段之一。本项目拟结合国内外托卡马克装置的驱动电流抑制方法和相关实验结果，构建包含自举电流的新经典撕裂模流体模型及多空间相位调制电子回旋波电流驱动模型，针对驱动电流抑制新经典撕裂模过程中的具体物理问题进行数值模拟研究，分析调制电流驱动引起磁岛位移、变形和增长等效应的物理过程；研究驱动电流对扰动自举电流的补偿机制及抑制新经典撕裂模的必要条件；研究磁岛极向旋转情况下通过多空间相位调制电流驱动提高新经典撕裂模抑制效率的物理机制。本项目紧密结合实验优化模型及参数开展数值模拟研究，为实现ITER等先进托卡马克对新经典撕裂模有效抑制提供有意义的参考。

本项目紧密结合电子回旋波电流驱动抑制撕裂模不稳定性的研究进展，针对ECCD抑制NTMs过程中所存在的物理问题展开研究，分别使用可压缩磁流体模型，柱坐标-环位型程序，以及粒子模拟方法研究了在托卡马克等离子体中电子回旋波电流驱动抑制撕裂模演化的各物理过程和相关问题。对在等离子体旋转过程中调制电子回旋波电流驱动抑制撕裂模增长的过程进行了全面的研究，并总结了抑制撕裂模过程中的负面效应、flip翻转不稳定性、以及存在剪切流状况下的ECCD抑制过程，此外还对磁化等离子体束流稳定性和零磁点影响做了研究。研究结果表明：外部驱动电流能够大幅度改变撕裂模不稳定性的电流密度剖面和电流密度梯度剖面，抑制扰动电流，重新建立等离子体压强剖面，最终抑制撕裂模不稳定性和控制撕裂模磁岛宽度，达到致稳作用；在撕裂模磁岛未被完全抑制的情况下，驱动电流对不稳定性始终有致稳作用，而在超过阈值的大电流作用下，应在适当的时间点停止沉积驱动电流，否则可能会起到负面效果，之后再加入任何驱动电流对撕裂模不稳定性没有抑制作用，甚至会产生解稳作用；在X点沉积过程中由于驱动电流的作用，磁岛X点会出现极向移动，与驱动电流的沉积位置发生偏移，降低抑制效率；在flip不稳定性发生的过程中，外部驱动电流仍然对撕裂模有很强的作用，且外部驱动电流即为flip不稳定性的驱动源；相同大小的驱动电流作用下，较小的沉积宽度下驱动电流作用更集中，对撕裂模磁岛的抑制效果更明显，沉积宽度越小越容易引发撕裂模磁岛的再增长过程；存在抑制NTM的最小驱动电流阈值，当平均电流值超出这一阈值时，占空比在0.4-0.7之间的驱动电流均能够有效抑制NTM磁岛。