HL-2A中高能粒子与比压阿尔芬波相互作用的研究

In this project, the local and/or global stability properties and mode structures of the high-n beta-induced Alfven eigenmodes (BAEs) in the presence of energetic particles (EPs) which are produced by NBI and/or ECRH in HL-2A are examined both analytically and numerically, employing the WKB-ballooning mode representation along with the generalized fishbone like dispersion relation. The non-perturbative anisotropic EPs, thermal passing ions and thermal deeply trapped ions as well as weak (negative and/or zero) magnetic shear are considered to investigate the local stability properties of BAEs. Then a global dispersion relation for BAEs excited by a radial energetic electron beam is investigated. The global eigenvalue and poloidal mode structures are analyzed.

本项目利用理论和数值的方法研究环流器2A托卡马克（HL-2A）等离子体中由中性束注入及电子回旋共振加热方式产生的高能粒子激发的高模数（high-n）比压阿尔芬本征模（BAE）的局域和全局的稳定性及其相对应的模结构。我们基于一般的鱼骨模色散关系和WKB气球模表象理论，通过对各向异性分布的高能粒子做非微扰处理，考虑背景热通行离子和深度俘获离子的动理学效应，同时考虑弱磁剪切（负磁剪切及零磁剪切）平衡下BAE的局域色散关系，利用理论分析和数值计算相结合的方法研究BAE在不同实验参数下的激发条件及物理特性。然后考虑高能电子局域的径向分布，进一步研究高能电子激发BAE的全局性质，求解其全局的色散关系，并对其全局本征值和二维极向模结构进行分析。

本项目以环流器2A托卡马克（HL-2A）等离子体中由中性束注入（NBI）及电子回旋共振加热（ECRH）方式产生的高能粒子（包含高能离子和高能电子）激发的高环向模数比压阿尔芬本征模（BAE）的实验现象为依据，利用回旋动理学理论与数值分析相结合的方法，对高能捕获电子通过进动共振激发BAE的局域和全局稳定性及其极向二维模结构进行分析，研究了磁剪切、高能粒子参数以及径向本征模数等因素对稳定性和模结构的影响，并将所得结果与实验和数值模拟结果比较。最后，分析了径向模结构关于平行波矢的对称性破缺与环向动量输运之间的关系。..主要结论：理论分析表明，由于高能捕获电子的弹跳平均动理学由法向曲率主导，因此其对e-BAE色散关系的贡献仅限于BAE的理想MHD结构。数值分析表明，对于e-BAE的局域性质：固定高能电子温度及其它参数，仅当高能电子密度超过一定的阈值，模才能被激发，且其频率与实验观测的频率一致；改变背景等离子体参数可导致e-BAE和高能粒子模式之间的转换。此外，e-BAE的增长率随高能电子密度（归一化的高能电子密度特征尺度）单调增加（减小），而频率的参数依赖关系不明显。e-BAE的频率和增长率对高能电子温度敏感，且在感兴趣的参数区间增长率存在一个最大值。对于e-BAE的全局性质：（1）e-BAE径向局域在由高能电子压强梯度产生的势阱中，不稳定的径向本征态可以同时存在，最不稳定的模不仅与高能电子的密度梯度有关，而且与模本身的宽度有关；（2）高能电子通过共振作用使得系统具有不可忽略的反厄米项，从而引起BAE二维模结构对称性的破缺，且形变方向与高能离子引起模结构的形变方向相反，该结果与GTC的模拟结果一致；（3）二维模结构受径向本征模数、磁剪切大小、高能电子参数等因素的影响，高能电子密度越大，模越局域；磁剪切越小，相邻有理面的极向谐波间的耦合越小，并导致更严重的模结构扭曲；（4）最后分析了相对局域的e-BAE其模结构关于平行波数对称性的破缺所引起的环向动量输运非常小。..本项目一方面为解释现有托卡马克高能电子激发一类的阿尔芬本征模的研究提供分析思路和方法；另一方面，由于高能电子的有限轨道宽度（归一化到托卡马克小半径）与反应堆（如ITER）中无量纲的alpha粒子轨道宽度可比拟，因此，深入理解e-BAE的相关物理对于理解未来燃烧等离子体中alpha粒子的行为具有重要意义。