高能量电子激发比压阿尔芬本征模的理论与模拟研究

One key issue in magnetic confinement fusion research is the energetic particle (EP) related physics. Energetic particle can excite Alfvenic instabilities, and be anomalously transported by Alfvenic instabilities, leading to the violation of the self-sustained operation and damage of reactor inner wall. The EP transport coefficient is closely related to the saturation level of Alfvenic instabilities. In this project, we plan to study the resonant excitation and nonlinear saturation of the energetic electron beta-induced Alfven eigenmode (eBAE). In which, two routes for eBAE nonlinear saturation will be studied, including excitation of low frequency zonal structures and distortion of the energetic electron equilibrium distribution function, and consequently, nonlinear self-consistent evolution of eBAE such as frequency chirping. Our work will further enhance the understanding of eBAE experiments and simulations. The normalized magnetic drift orbit width of energetic electrons in present day small to medium sized tokamaks, is comparable to that of energetic ions in future large machines such as ITER or CFETR, our theory can, thus, provide implications for understanding of energetic ions such as fusion-alphas behaviors in future burning plasmas.

磁约束聚变研究的关键问题之一是高能量粒子相关的等离子体物理。高能量粒子可以激发阿尔芬不稳定性，并被阿尔芬不稳定性反常输运，从而破坏反应堆的自持燃烧并可能损伤装置内壁。高能量粒子的输运系数与阿尔芬不稳定性强度紧密关联。本项目将在多年前期工作的基础之上，对高能量电子激发比压阿尔芬本征模（eBAE）展开研究，研究其共振激发，及非线性饱和的过程。其中，对eBAE非线性饱和考虑两个通道，即eBAE激发低频带状流结构，以及eBAE引起高能量电子的再分布，并导致eBAE的自洽非线性演化如频率啁啾等。我们的工作预期将增强对eBAE相关实验及模拟的理解；并且由于当前中小型装置中高能量电子的用装置小半径归一化的磁漂移轨道半径与未来大型装置如ITER或CFETR中alpha粒子的磁漂移轨道半径可比，我们的工作也将为理解未来燃烧等离子体中的高能量离子的约束性能提供思路。

磁约束聚变研究的关键问题之一是高能量粒子相关的等离子体物理。高能量粒子可以激发阿尔芬不稳定性，并被阿尔芬不稳定性反常输运，从而破坏反应堆的自持燃烧并可能损伤装置内壁。高能量粒子的输运系数与阿尔芬不稳定性强度紧密关联。本项目的研究目标是在多年前期工作的基础之上，对高能量电子激发比压阿尔芬本征模（eBAE）展开研究，研究其共振激发，及非线性饱和的过程。由于当前中小型装置中高能量电子的用装置小半径归一化的磁漂移轨道半径与未来大型装置如ITER或CFETR中alpha粒子的磁漂移轨道半径可比，我们的工作也将为理解未来燃烧等离子体中的高能量离子的约束性能提供思路。..围绕着反应堆中其重要作用的BAE频段的不稳定性，主要的研究成果包括：１、高能量电子共振激发比压阿尔芬本征模的机理的理论与模拟研究；２、eBAE非线性激发带状流并达到非线性饱和的过程；３、通行高能量粒子激发鱼骨模由于相空间非线性过程达到非线性饱和的过程；４、RSAE非线性激发BAE并对燃料离子的直接加热过程。 其中研究内容4有望对反应堆芯部的等离子体燃烧性能产生直接的影响。