Hall效应对Tokamak中撕裂模不稳定性演变和控制的影响

Tearing mode instability is one of the most important dynamic processes in space and laboratory plasmas. Hall effects, resulted from the decoupling of electron and ion motions, could cause the fast development and perturbation structure rotation of the tearing mode and become non-negligible. In magnetic confined fusion community, there has no formal report that any present large scale MHD code can investigate tearing mode instabilities with self-consistent inclusion of Hall effects. We independently developed high accuracy nonlinear MHD code (CLT) to study Hall effects on the dynamic evolution of tearing modes with Tokamak geometries. With support of NSF fund, we will carefully study tearing mode instability and fast crash of sawtooth using CLT. We try to understand and explore the relation between the formation of the internal transport barrier and development of tearing mode instabilities. The suppressing mechanisms of external driven current and three dimensional magnetic field perturbations on tearing mode instabilities are also investigated, which might give a guidance how to choose optimal external driven currents and perturbations of magnetic fields to control tearing mode instabilities in experimental researches.

撕裂模不稳定性无论在空间等离子体中还是实验室等离子体中都是一种非常重要的物理过程。由于电子和离子运动解耦所导致的Hall 效应可能导致撕裂模不稳定性快速发展和模扰动结构的旋转而变得不可忽视。目前国际上没有大型的Tokamak模拟程序模拟考虑撕裂模不稳定性研究报告，而我们自主研发的高精度非线性三维磁流体力学数值模拟程序（CLT）能够模拟研究考虑Hall效应的托卡马克中撕裂模不稳定性过程。我们将在此基金项目资助下深入研究Tokamak中的撕裂模不稳定性和sawtooth过程中的快速crash现象。探讨撕裂模不稳定性与内部输运壁垒之间的关系，研究外加驱动电流和三维磁场扰动对撕裂模不稳定性发展的作用机理，获得控制撕裂模不稳定性的最佳驱动电流和三维磁场扰动形式，为正在开展的及未来需要开展的相关实验研究提供理论支持。

撕裂模不稳定性无论在空间等离子体中还是实验室等离子体中都是一种非常重要的物理过程。由于电子和离子运动解耦所导致的Hall 效应可能导致撕裂模不稳定性快速发展和模扰动结构的旋转而变得不可忽视。本项目首先对我们自主研发的高精度非线性三维磁流体力学数值模拟程序（CLT）进行了升级优化，使得CLT程序能够用于模拟研究具有限制器及偏滤器位形的托卡马克中的开展磁流体不稳定性。然后，我们系统地模拟研究了Tokamak中Hall效应、剪切流、粘滞系数等参数对锯齿震荡和撕裂模不稳定性的影响。我们发现电子抗磁漂移效应对电阻内扭曲模的饱和幅度也有很大的影响。其饱和幅度随着电子抗磁漂移频率的增加而减小。另外，发现Hall效应会引起电阻内扭曲模在非线性阶段爆发性增长，这种爆发性增长主要是由于电流片的结构改变引起的。最后，我们发现在极高和极低等离子体粘滞极限下，系统都会自洽地朝着具有饱和m/n=1磁岛的稳态演化。另外，利用升级后的CLT程序对外加共振磁扰动（RMP）渗透机制和特点研究，发现刮削层（SOL）区域的电阻会影响内部扰动场的强度和相位，增加SOL区域的电阻可以使得RMP能在较短时间尺度内渗透到内部等离子体，从而不容易在SOL区域产生偏移，使得等离子体响应的结果趋于真空场的结果。Tokamak的环效应带来的极向模数之间的耦合使得RMP驱动下能量和磁通存在从高层有理面向低层有理面转移的过程，而考虑环向流后，环效应带来的模耦合得到放大，增强了对高层有理面上共振分量的耗散和阻尼，使其线性饱和。这些研究成果可为正在开展的及未来需要开展的相关实验研究提供理论支持。