EAST装置高约束模式下锯齿振荡触发/抑制新经典撕裂模不稳定性的研究

Sawtooth and tearing mode are the most common instabilities of the plasma physics in tokamak. In experiments, neoclassical tearing mode can be triggered by long-period sawtooth and avoided by the short-period sawtooth activity. In this project, we use the MHD code JOREK to investigate the effects of the sawtooth on the tearing mode by theoretical analysis and numerical simulation, including the factors of the sawtooth (period, the shape of the sawtooth, the time of the sawtooth collapse), the changes of the q profile after the collapse, the associative electric field during the collapse, and the toroidal coupling between the two modes. We study the physical mechanism and the key factors that avoid/trigger tearing mode, and gain the stability map between the sawtooth and the neoclassical tearing mode. This can provide a useful reference for the relevant experimental research on EAST tokamak. It also has important implications for burning plasma scenarios, as alpha particles can strongly stabilize the sawtooth.

锯齿振荡和撕裂模不稳定性是托卡马克等离子体最常见的两种磁流体不稳定性。实验中发现长周期的锯齿振荡可以触发新经典撕裂模，而短周期的锯齿振荡可以避免新经典撕裂模的出现。本项目采用理论分析和数值模拟相结合的方法，利用大型MHD数值模拟程序JOREK研究锯齿振荡的不同特性（周期，锯齿形状，锯齿崩塌的快慢）、芯部安全因子的变化以及锯齿崩塌阶段产生的电场对新经典撕裂模不稳定性的影响；研究环耦合效应在长周期的锯齿振荡触发新经典撕裂模过程中起到的作用。弄清实验上锯齿振荡稳触发/避免新经典撕裂模的物理机制和关键因素，得到锯齿振荡不同参数和撕裂模增长率之间的图谱，确定出稳定区域。为EAST相关实验研究提供有益的参考。聚变成功后产生的alpha粒子对锯齿振荡有很强的的致稳作用，因此研究锯齿振荡对撕裂模的影响对将来的燃烧等离子体具有重要意义。

本项目采用理论分析和数值模拟相结合的方法，利用大型MHD数值模拟程序JOREK以及自主研发的数值模拟程序，研究锯齿振荡的不同参数（周期，震荡幅度，锯齿崩塌的快慢）、对经典撕裂模不稳定性的影响。得到和实验现象定性一致的结论：长周期的锯齿振荡可以增大磁岛的饱和宽度，为触发新经典撕裂模提供了可能性，而短周期的锯齿振荡可以减小磁岛饱和宽度（使种子磁岛低于一定阈值）从而避免新经典撕裂模。弄清实验上锯齿振荡稳触发/避免新经典撕裂模的物理机制和关键因素，得到锯齿振荡不同参数和撕裂模饱和宽度之间的图谱。研究了环位形下剪切流对锯齿震荡大周期中的小崩塌产生致稳作用。为EAST相关实验研究提供有益的参考。聚变成功后产生的alpha粒子对锯齿振荡有很强的的致稳作用，因此研究锯齿振荡对撕裂模的影响对将来的燃烧等离子体具有重要意义。