台基区多种高模数微观不稳定性及杂质输运的动理学研究

Micro-instabilities are one of the main mechanisms for triggering the anomalous transport of tokamak plasmas. Recently it was observed that the multiple high-order instabilities (including ITG, TEM, IM) can be excited in pedestal based on the experimental data from HL-2A and DIII-D and then interact with each other, which is firmly associated with L-H transition. Nevertheless, the theoretical and numerical investigations on the multiple micro-instabilities especially high-order micro-instabilities are much less as compared to the worldwide observations. Meanwhile, impurity turbulent transport is still under studying in tokamak plasmas. This project will investigate the physical processes of evolutions of multiple high-order micro-instability interactions, using our self-developed large-scale code HD7. We would try to explore how to effectively suppress the multiple micro-instabilities and impurity turbulent transport. The aim of this project is to provide the theoretical basis for effectively avoiding or suppressing the inward impurity transport, and to develop our large-scale simulation code with independent intellectual property right.

微观不稳定性是导致托卡马克等离子体反常输运的主要机制，几乎所有聚变装置中都有观测到，是构成聚变堆点火乃至自持燃烧的主要障碍之一。近年来，基于HL-2A、DIII-D等大装置台基区实验参数，通过数值模拟可得到多种高模数微观不稳定性（包括同类型不同模数的ITG、TEM、杂质模），它们相互竞争、相互作用，具有复杂的输运机制且与L-H转换密切相关。然而，对于台基区多种微观不稳定性的研究，尤其是针对高模数问题的研究相对较少。同时，磁约束聚变装置中对降低约束水平的杂质湍性输运的研究也仍有待系统展开。本项目拟用自主开发用于研究微观不稳定性和湍性输运的回旋动理学程序HD7，深入研究台基区多种高模数微观不稳定性相互作用及杂质输运的物理机制，探索如何更好地约束托卡马克等离子。本项目的完成将为有效避免杂质聚芯提高聚变装置的约束性能提供必要的理论依据，并将进一步发展具有自主知识产权的回旋动理学代码。

微观不稳定性是导致托卡马克等离子体反常输运的主要机制，几乎所有聚变装置中都有观测到，是构成聚变堆点火乃至自持燃烧的主要障碍之一。近年来，基于HL-2A、DIII-D等大装置台基区实验参数下，通过数值模拟可得到多种高模数微观不稳定性。按照研究计划，本项目采用回旋动理学积分本征值程序HD7，研究了输运垒附近动理学杂质对多支共存离子温度梯度模不稳定性及粒子输运的影响。发现密度分布向内峰化的杂质离子有利于主离子的约束和杂质离子的排外。理论模拟进一步表明由高阶不稳定模引起的粒子通量与传统模式引起的通量相当，揭示了非传统离子温度梯度模的重要性。另外，研究了动理学杂质对离子温度梯度不稳定性引起湍性热输运的影响。发现热通量不仅正比于不稳定模的饱和幅度，而且与扰动温度和速度之间的相位差有关。不同于芯部热输运行为，输运垒附近密度向外峰化的杂质离子可减弱主离子的热输运，与杂质注入可以改善托卡马克能量约束的实验结果一致。最后，发现强的负磁剪切以及电子与主离子的温度比有利于能量箍缩的形成和维持，且揭示了其产生的物理机制，为实验提供参考。