托卡马克燃烧等离子体中阿尔芬不稳定性及其非线性演化

This proposal is to investigate Alfvenic instabilities and the associated nonlinear evolution in tokamak burning plasmas. Studies on nonlinear behaviors of Alfven modes are based on varied types of nonlinear mechanisms upon perturbations with finite amplitude, including both the nonlinear frequency matching via wave-particle resonance conditions and the energy transfer between different modes via direct wave-wave coupling. A gyrokinetic-magnetohydrodynamic hybrid simulation code is to be developed to study the designed research objective upon gyrokinetic formulation of fusion plasmas with multiple species via the ballooning mode representation for the toroidal magnetic configuration. Moreover, the nonlinear effects on plasma confinement will be delineated for the operation parameters of tokamak fusion experiments.

本项目申请拟在回旋动理学框架下探索托卡马克聚变燃烧等离子中阿尔芬不稳定模式的非线性演化行为及其物理支撑机制，包括有限幅度阿尔芬扰动模式改变粒子运动行为特征而引发的波场-粒子相互作用的非线性关联以及有限幅度阿尔芬扰动模式的波场-波场相耦合的非线性机理。凭藉气球模表象的简捷公式化体系，建立包含不同组分粒子参与的回旋动理学-磁流体力学耦合方程系统，并据此研发关于阿尔芬波非线性演化过程的波场-粒子混合数值模拟程序编码，用以探究本项目的研究内容目标，同时结合具体托卡马克装置运行条件来演示分析有关阿尔芬波及其动理学不稳定行为对等离子体约束的影响。

托卡马克聚变燃烧等离子体中阿尔芬波(Alfven wave)与高能量快粒子(energetic particle)相互作用及其相关动理学(kinetic)模式的行为演化是磁约束聚变能源探索中的重要前沿物理课题。该项目研究立足双成份等离子体(主体热化成份与高能量快粒子成份)的回旋动理学(gyrokinetic)模型，参照环形约束磁场几何位形特点，研发磁流体力学-回旋动理学混合模拟程序，探讨聚变燃烧等离子体条件下粒子动理学行为激发阿尔芬模式的物理演化机制及其对等离子体约束性能的影响，内容包括：结合燃烧等离子体中阿尔芬行为的物理分析来构架不同能量范围内各成份粒子与阿尔芬模式相互作用的回旋动理学理论模型；参考模型方程的结构特征来设计流体波场-动理学粒子耦合演化的数值离散方案，据之研发相应的混合计算机模拟程序编码；通过分析有限幅度扰动对粒子动理学运动特征的影响及其在波动模式之间耦合所起到的直接单元关联作用，展示燃烧等离子体中粒子动理学激发阿尔芬模式的整体演变及其所关联着的各特征模式的依存过程机理；针对托卡马克中丰富的阿尔芬波谱与各种粒子之间作用耦合的多空间时间尺度之复杂性，探讨不同阿尔芬模式在通行粒子及捕获粒子这两类典型粒子共振激发下的动理学演化特征(如BAE与e-fishbone)；结合具体托卡马克实验条件分析阿尔芬模式的动理学不稳定行为，并以等离子体压强梯度引发的由气球模驱动势阱束缚的离散阿尔芬本征模(alpha-TAE)为例，借助该模式多势阱束缚态结构复杂性来演示其在不同粒子作用下的动理学特征。在该项目研究中，对阿尔芬波动理学演化所设及的基本单元物理关联过程之注重，既利于同相关方面大规模计算机模拟研究的合作探索，又益于受控聚变等离子体物理研究中相关方面专业人才的培养工作。