旋转等离子体中中性束注入的数值模拟研究

The rotation has been shown to play a beneficial role in the formation of internal transport barriers(ITBs) and stabilizing MHD instabilities. Both the resistive wall mode (RWM) and the neoclassical tearing mode (NTM) are ameliorated with toroidal rotation. Although the spontaneous rotation has been founded in many present devices, the predominant source of rotation generation is the toroidal torque from neutral beam injection.Therefore the accurate predict of the rotation and its profile is very important for the Tokamak such as ITER. In this project, when there is the spontaneous rotation in the background plasma, the neutral beam injection code NUBEAM and the transport code ONETWO will be used to calculate the plasma rotation from neutral beam injection.The main aims of this project are to find the relations between the spontaneous rotation、the background plasma parameters(especially the boundary condition) and the rotation from neutral beam injection,to offer the accurate momentum source for the research of the transport. On the other hand, the effect of the injection angle on the rotation and physical mechanism of the rotation from neural beam injection has been studied. The implementation of this project will be benefit to accurately understand and predict the plasma rotation and the transport in the Tokamak with the high density and spontaneously rotational plasma.

等离子体旋转对内部输运垒(ITB)的形成、电阻壁模(RWM)和新经典撕裂模(NTM)等MHD稳定性都起很重要的作用，虽然目前在很多的装置上发现了自发旋转，但中性束注入仍是目前主要的等离子体旋转的驱动源，对等离子体旋转的大小和剖面更准确的模拟将更有利于得到满足ITER等大型托克马克装置所需要的旋转。本项目主要利用中性束注入的模拟程序NUBEAM结合输运程序ONETWO，开展自发旋转等离子体中的中性束驱动旋转的数值模拟研究，重点是模拟分析等离子体的自发旋转、主体参数与束驱动旋转的关系，特别是等离子体边界条件对旋转的影响，为等离子体输运研究提供准确的动量源；此外本项目将对高密度等离子体中的束注入角度与束驱动旋转的大小和物理机制进行深入的研究。本项目的实施将有利于精确分析自发旋转等离子体中的输运，为未来的高密度的托克马克装置上的旋转的理解和预测起到积极的作用。

本项目采用中性束注入程序NUBEAM结合输运程序ONETWO根据MMM95输运模型模拟分析了自发旋转等离子体中，背景等离子体的自发旋转、等离子体密度、温度和约束模式对束驱动旋转的力矩、动量输运和旋转大小的影响，同时模拟分析了在高密度自发旋转等离子体中不同中性束注入角度下的束驱动旋转的力矩、动量扩散率和束驱动旋转的情况。模拟结果表明：快速的自发旋转虽然对束在背景电子上的加热有一定的影响，但是对总的束驱动旋转没有太大影响，束驱动旋转的主要动量源为束与背景等离子体的碰撞慢化和捕获快离子的径向运动即JxB产生的，且碰撞慢化产生的动量源主要在等离子体芯部，而JxB产生的动量源主要在等离子体中间；同时，由于碰撞和沉积的增加，束驱动旋转力矩随着等离子体密度的增大而增大，背景等离子体的温度对总力矩没有太大影响；束驱动旋转随着密度的增大而减小，当储能不变时，等离子体约束模式虽然能降低动量扩散率，但是对束驱动旋转的影响较小，束驱动旋转随着温度的增加而增大；当切向半径小于等离子体大半径和小半径的差值时，注入角度越大越好，注入角度越大，力矩和等离子体旋转就越大，此时的动量扩散率没有太大变化；当切向半径超过大半径和小半径的差值时，注入角度越大，虽然力矩会增加，但是此时的动量扩散率也随之增加，等离子体旋转减小。因此在自发旋转等离子体中，为了得到较大的中性束驱动旋转力矩，应适当增加背景等离子体密度；要得到较小的动量扩散率，应尽量提高背景等离子体的约束；为得到较大的束驱动旋转速度，背景等离子体的温度可以适当提高。在高密度自发旋转等离子体中，为了达到最大的等离子体旋转速度，中性束的注入角度应使得束的切向半径和等离子体大半径和小半径的差值相当。