高能量粒子驱动的环形阿尔芬本征模数值模拟研究

Alpha particles in fusion product and fast ions produced by auxiliary heating in magnetic confinement fusion plasma can drive toroidal Alfvén eigenmodes (TAEs), which will reduce plasma confinement and even destroy experimental device. This is important topic in current burning plasma research. .We add energetic particle current on three dimensional MHD code (CLT) which has been developed by Institute of Fusion Theory and Simulation, Zhejiang University. Therefore, full wave-particle interaction effect is included: both particle nonlinearity and MHD nonlinearity. Using new code, our research area is extended from perturbed mode (TAE) to non-perturbed mode (EPM, GAM). When background plasma response is considered, mode structure can change associated with evolution of TAE frequency and amplitude, which can affect nonlinear frequency chirping and particle transport. This process cannot be studied by EAC code which is based on reduced model. Besides, we can use experiment parameters from domestic devices (EAST and HL-2A) in our simulation and analyze data of energetic particle experiments. We can also predict the experimental results and give the optimization parameters for experiments to improve the confinement.

磁约束等离子体中来源于聚变产物阿尔法粒子以及辅助加热手段产生的快离子可以激发起本征模阿尔芬本征模，从而降低等离子体约束甚至破坏实验装置，这是燃烧等离子体研究中的重要前沿课题。.我们从动理学-磁流体混合方程的电流耦合形式出发，在之前浙江大学聚变理论与模拟中心开发的三维CLT磁流体代码的基础之上，加入高能量粒子电流，这样包含了完全的波-粒相互作用：既保留了粒子非线性，又包含了磁流体的非线性。通过新代码的开发，我们的研究范围从微扰模式（TAE）扩展到了非微扰模式（EPM、GAM等）。在考虑了背景等离子体反馈作用之后，模的结构可以随着TAE频率振幅的演化而变化，从而影响着非线性频率扫频特性和高能粒子的输运，这是之前基于简化模型的EAC代码无法实现的。另外，我们将国内的大型装置（EAST和HL-2A）中实验参数加到模拟中，对高能量粒子相关实验进行分析诊断，并预言实验结果，辅助优化实验参数以改进约束。

磁约束等离子体中的高能量粒子激发的不稳定性是燃烧等离子体研究的重要前沿课题。聚变产物阿尔法粒子以及辅助加热手段产生的快离子都会激发阿尔芬不稳定性，从而降低等离子体约束甚至破坏实验装置。.我们基于混合动理学磁流体模型发了一套数值模拟程序CLT-K，并对其进行了大量的验证，得到了可靠的结果。我们从三个方面开展数值模拟研究：1. 研究非微扰模式高能量粒子模的非线性扫频机制，发现EPM转变成类比压驱动的阿尔芬模式BAE的物理图像是由于相空间自由能分布的不均匀性；2. 研究存在撕裂模情况下环形阿尔芬本征模的非线性演化，我们发现在强撕裂模情况下，TAE的扫频结构会被抑制，这是由于相空间中撕裂模和TAE共振带相互作用所导致的；3.在CLT-K中加入新经典效应，研究自举电流在自洽撕裂模场下的非线性演化。.我们的混合模拟程序是国内第一个具有三维磁场结构的混合模拟初值程序，它为我们进一步研究磁约束聚变中的高能量粒子物理打好了基础。