快粒子激发阿尔芬不稳定性的大规模数值模拟研究

This proposal is composed for the development of first-principles simulations of energetic particle turbulence and transport in fusion plasmas based on global, nonlinear gyrokinetic, particle-in-cell code, which will be used to investigate the Alfven eigenmodes and energetic particle modes in the toroidal alfven gap and kinetic thermal ion gap with single toroidal mode number and multiple toroidal mode numbers. The goal is to develop a predictive capability for assessing the effects of energetic particles on the performance of the burning plasmas through comprehensive simulations of the interaction of energetic particles with background thermal plasmas and various collective modes, and through extensive verifications using cross-code benchmarsik and vigorous validations of simulation codes using data from existing tokamaks.

本项目通过开发和发展基于第一原理（First-principles）的非线性回旋动力论（Gyrokinetic）大规模粒子（Particle-in-cell）模拟程序，模拟快粒子（Energetic Particles，EP）在高参数、高性能运行的磁约束聚变等离子体中的湍流和输运问题：在环几何阿尔芬禁带（Toroidal Alfven Gap）和低频的动力学热粒子禁带（Kinetic Thermal Ion Gap）中，高能量粒子驱动的单环向模数和多环向模数阿尔芬本征模（Alfven Eigenmode）和快粒子模（Energetic Particle Mode）的线性和非线性数值模拟。目标是通过与不同软件之间的校验（Verification）、以及与实验的比较（Validation），发展能预言高能量粒子物理过程、评估EP对燃烧等离子体（Burning Plasma）运行效率影响的软件。

本项目的研究内容是通过开发和发展基于第一原理(First-principles)的非线性回旋动力论(Gyrokinetic)大规模粒子(Particle-in-cell)模拟程序, 模拟高能量粒子(Energetic Particles, EP)在高参数、高性能运行的磁约束聚变等离子体中的湍流和输运问题:在环几何阿尔芬禁带(Toroidal Alfven Gap)和低频的动力学热粒子禁带(Kinetic Thermal Ion Gap)中, 高能量粒子驱动的单环向模数和多环向模数阿尔芬本征模(Alfven Eigenmode)和高能量粒子模(Energetic Particle Mode)的线性和非线性数值模拟。目标是通过与不同软件之间的校验(Verific ation)、以及与实验的比较(Validation), 发展能预言高能量粒子物理过程、评估EP对磁约束聚变等离子(Burning Plasma)运行效率影响的软件。..在软件开发方面的成果是：发展了可模拟 ITER/CFETR 磁约束聚变等离子的动理论集成模拟平台 VirtEx, 测试了模拟高能量粒子的能力; 开展了高能量粒子激发阿尔芬波湍流的象形非线性模拟，研究了非线性扫频机制和饱和机制, 及其对高能量粒子输运的影响的大规模模拟研究。本项目的两个集成模拟工具 VirtEx 和 GTC 通过了一系列线性和非线性的测试和校验, 确认了工具的正确。 并正在用发展的工具 VirtEx 和 GTC 开展磁约束聚变等离子中 高能量 粒子激发不稳定性模拟, 以及解释 EAST 与 HL-2A 上的物理实验。..在科学研究方面的成果是：在磁约束聚变等离子体高能量粒子物理方面开展了系统的研究工作，取得了一系列创新成果，代表工作包括：（1)粒子模拟发现传统的Berk-Breizman模型不能解释快速非线性阿尔芬波扫频现象，从而提出了非线性阿尔芬波扫频的动理学物理机制；（2）得到了高能量粒子等高能量粒子通过波-波耦合加热热粒子的能量通道。