托卡马克聚变等离子中背景离子动理学效应对低频阿尔芬波扰动的影响

本项目致力于进一步拓展磁流体力学-回旋动力学混合模拟程序XHMGC,从而将其应用于托卡马克中低频磁流体力学波的研究.XHMGC程序的进一步开发基于磁流体力学-回旋动力学混合模拟的拓展模型,这个拓展模型是在传统的混合模拟方法的模型中加入了(1)背景离子的动力学可压缩效应,(2)背景离子以及高能粒子的抗磁效应,以及(3)由于等温电子响应所引起的平行电场.这个模型被证明在线性化的形式下与求解色散关系的理论框架模型完全等价,同时也证明了其非线性模拟的有效性.在未来的三年中,XHMGC程序将应用于研究托卡马克等离子中高能粒子与低频磁流体力学波,如比压阿尔芬波等,线性与非线性的相互作用,从而理解这些低频波对高能粒子的约束的影响.XHMGC程序不仅可以用于理论的研究,同时可以对实验数据进行分析,用于预测和理解实验的观测.

托卡马克中的比压阿尔芬波被认为是能够影响高能粒子约束的不稳定性之一。比压阿尔芬波模处于剪切阿尔芬连续谱的低频段，因此其在长波长段能够被高能粒子激发，在短波段能够被背景离子激发。在理论上为了能够正确的描述比压阿尔芬波的特性，必须同时考虑高能粒子以及背景热离子的贡献。理论上已经证明这种模能够被高能粒子的空间密度梯度自由能驱动，同时近期的模拟工作也证实了这个理论。然而通常的理论研究都是在假设背景离子是均匀分布的，本项目的一个部分的工作则是着重于研究背景粒子非均匀的空间分布对比压阿尔芬波模的影响。另一方面，鱼骨模色散关系的框架是研究托卡马克等离子体中各种阿尔芬扰动的基础，比压阿尔芬本征模就是这个色散关系的一个特例。理论和模拟对高能粒子激发比亚阿尔芬本征模的研究都局限于应用各向同性的高能粒子速度分布的假设，然而在实验中高能粒子往往是非各向同性分布的，因此本项目的另一个部分的工作则是着重于研究各向异性的高能粒子速度分布对比压阿尔芬波激发的特性。. 在非线性研究中，精典理论中假设增长率远远小于模的实频，这个时候的系统是弱驱动的，那么在这种假设下，非线性机制可近似视为均匀的系统，不稳定性的饱和机制可以用波粒捕获的理论来解释，同时这种机制是不依赖于径向的模结构的。然而当系统处于强驱动的状态，实验中发现高能粒子会发生大规模输运。在这种非线性的情况下，局域和全局的效应应该同时被考虑。在本项目的非线性研究中，我们应用模拟的方法着重研究在强驱动情况下系统的非均匀性对模饱和机制的影响。