GeFi模拟方法的发展及其对托克马克聚变等离子体物理的应用

The rapid advances in plasma physics research as well as high-performance supercomputers are providing timely opportunities to gain deeper understanding on critical physics issues such as collisionless magnetic reconnection and lower-hybrid-wave current drive and heating. In the current proposal, we employ the GeFi theoretical model where electrons and ions are treated with, respectively, the gyrokinetic and fully kinetic Vlasov descriptions. Thus, electron high-frequency oscillations such as plasma Langmuir wave and cyclotron dynamics are systematically removed; while keeping the finite electron-Lamor-radius effects. GeFi simulation scheme is capable of handling a wide range of multi-scale plasma physics problems. More specifically, the time scales cover from low-frequency tearing modes to high-frequency lower-hybrid and whistler waves. The spatial scales, meanwhile, cover from electron Larmor radius to the system size. In the next five years, we propose to develop further the GeFi simulation model and its corresponding simulation codes; such as collisionless magnetic reconnection with a guided magnetic field, lower-hybrid-wave current drive and heating in fusion plasmas. The ultimate goal of the current proposal is developing GeFi into a Chinese brand-name high-level plasma simulation scheme along with various application codes.

随着等离子物理研究的深入和高性能计算机的发展，一些重要的等离子体问题如非碰撞磁场重联和低混杂波电流驱动和加热有望得到深入理解。在本项目的GeFi（Gyrokinetic electron/Fully kinetic ion）理论模型中，我们对电子和离子分别采用回旋动理学和Vlasov完全动理学处理，将与电子相关的高频等离子体震荡和回旋运动效应移除，同时保留了与电子回旋半径紧密相关的动理学效应。 GeFi模拟程序可以同时处理多尺度等离子体物理问题，具体来讲，在时间尺度上涵盖了从低频（撕裂模）到高频（低混杂波，哨声波），在空间尺度上跨越从电子回旋半径到系统特征长度的一个大范围。我们将在未来五年中，进一步发展GeFi模型并开发与之对应的GeFi模拟程序，研究有限引导磁场下非碰撞磁重联问题，以及聚变托克马克低混杂波电流驱动和加热问题。本项目的最终目标是开发具有中国自主品牌的高级模拟程序。

本项目应用GeFi等离子体模拟模型，对电子和离子分别采用回旋动理学和完全动理学处理，系统的移除了电子快速回旋运动，同时保留了电子回旋半径效应、波—粒相互作用和电子压力的非对角项，使得GeFi模拟可以在兼顾重要物理问题的同时，高效地利用计算资源，采用较大的时间步长和真实的电子/离子质量比进行模拟；从而可以处理在时间尺度上从低频（撕裂模）到高频（低混杂波，哨声波），在空间尺度上从电子回旋半径到系统特征长度范围的物理问题。我们严格按照项目申请书提出的研究内容展开研究，取得了优秀的成果，完成了申请书提出的各项科学目标，进一步地发展并完善了GeFi模拟的理论框架，拓展了GeFi程序的适用范围包括将其应用到环位型，并应用其研究了低杂波的传播与加热、电流片不稳定性、有限引导场下的无碰撞磁场重联等重要物理问题，取得了国际领先的成果。在本项目的资助下共发表论文22篇，在国内外学术会议上作报告12次，培养博士生六名，并组织召开了GeFi研讨会9次，进一步增强了GeFi的国际影响力，将其发展为具有中国自主品牌的高级模拟程序。