低杂波与等离子体非线性相互作用过程中相空间输运理论研究

Lower hybrid current drive (LHCD) is the most efficient method of the various methods for non-inductive current drive in tokamaks. The Ray-tracing + Fokker-Planck (RTFP) model has been used in the numerical simulations of lower hybrid current drive. However, the diffusion coefficient of electrons in the velocity space need to be studied, and how to describe the radial transport of the electrons remains unclear. In this proposed project, the single particle orbit model and mapping method will be used to get the diffusion coefficient of the electrons in the velocity space in the cases of different wave spectra through theoretical analysis. The electronic radial transport behavior will be analyzed. The scheme to improve the RTFP model will be proposed. The proposed scheme will be verified by numerical simulations.

低杂波电流驱动(LHCD)是目前托卡马克各种非感应电流驱动方式中效率最高的电流驱动方式。射线追踪+福克普朗克(RTFP)模型已被用于数值模拟低杂波电流驱动，然而，电子在速度空间的扩散系数是有待深入研究的，电子的径向输运的到底如何正确描述尚无定论。本项目将采用单粒子轨道模型建立映射的方法，通过理论分析得到不同波谱情况下的电子在速度空间的扩散系数，并分析电子径向输运行为，对RTFP模型提出完善方案，通过数值模拟进行验证。

低杂波电流驱动(LHCD)是目前托卡马克各种非感应电流驱动方式中效率最高的电流驱动方式。本项目研究了低杂波与等离子体相互作用过程中电子在相空间的输运行为。首先将采用单粒子轨道模型建立映射的方法，通过理论分析得到不同波谱情况下的电子在速度空间的扩散系数,并一步的研究了多尺度情况下的湍流输运行为。结果表明，电子的扩散系数强烈的依赖于共振重叠参数和相位，双波情况下的准线性阈值可能低于单波的情况。多尺度波长存在的情况下，最大尺度波长的波的贡献是影响扩散系数偏离准线性值的主要因素，仅仅通过增加波数来增加小尺度湍流的共振重叠参数，并不能使扩散系数趋近于准线性扩散系数。特别是在双尺度湍流中，小尺度湍流在大波数极限下，扩散系数大于准线性扩散系数。考虑到相对论效应，研究了相对论效应对低杂波与电子回旋波加热的情况下，相空间的输运和加热变化。研究发现，相对论效应可以使电子回旋共振波的能量更深入芯部，其中电子回旋共振波的协同作用增强了低杂波的吸收，因此可以获得高的中心电子温度。此外，研究了在鞘层中波与粒子的相互作用产生的高能电子对磁化射频鞘的特性和磁场对离子能量分布的影响。采用粒子模拟方法研究了电子与低杂波（包括共振模和非共振模）的相互作用。考虑到边界等离子体与低杂波的相互作用，研究了包括电子回弹运动的非线性朗道阻尼。最后通过将数值模拟与实验的对比进行了验证并对实验进行了物理分析，验证了模拟的低杂波电流和功率沉积的可靠性。进一步研究发现，电子温度的缓慢爬升是三个因素（电子密度变平、低杂波功率沉积近轴和安全因子降低）共同作用的结果，其中第一个因素是最重要的，该研究结果有助于理解低杂波加热和电流驱动的实验现象。