托卡马克中自发转动的非局域理论与数值研究

An important condition for tokamak steady state operation is the turbulence suppression and the consequent reduction of anomalous transport. Toroidal flow shear can contribute for this purpose. In future tokamak devices, neutral beam is not sufficient to provide toroidal rotation while intrinsic rotation can become dominant and play an important role on plasma confinement improvement. Intrinsic rotation has been observed on almost all tokamaks worldwide in different discharge conditions and attracted intensive interest of researchers from theory and simulation community. In addition, intrinsic rotation is relevant to solar differential rotation, tachocline and atmospheric jet stream, and is a basic physics problem worthwhile for investigation. .Firstly, in this work, gyrokinetic equation and mixed WKB-full-wave approach will be adopted for the upgrade of the wave-packet code WPC-DW. The two dimensional mode structure of micro-instability in tokamak plasma will be solved and its symmetry breaking mechanism will be analyzed, for the purpose of identifying the source of intrinsic momentum. Large scale particle-in-cell code GTS will be used for the benchmark of the development of WPC-DW. Secondly, in this work, the scaling of intrinsic torque on different macroscopic parameters will be studied and, in addition, analyses will be performed based on domestic experimental data for the interpretation of experimental results and for planning experiments in future, as well as for the estimate of intrinsic rotation’s role for ITER.

托卡马克实现稳态运行的一个重要条件是湍流的抑制及反常输运的降低。环向流剪切有利于这一目标的实现。在未来的托卡马克上，中性束不足以产生足够的环向转动，自发转动可能占主导并对改善等离子体约束产生重要作用。自发转动在国外各个装置、各种放电条件下都被观察到，在国际上受到了极大关注。另外，自发转动和太阳中的剪切旋转、差旋层、大气中的喷射气流等自然现象相关，是一个值得研究的基本问题。.首先，本工作拟基于回旋动理学方程和混合的WKB-全波方法，对现有的波包程序WPC-DW进行升级，求解微观不稳定性的二维模结构，并分析其对称性破缺机制和导致的自发动量流。大型粒子代码GTS将被用于与升级的WPC-DW进行对比。其次，本工作拟对自发力矩相对于各宏观物理量的定标率进行研究，并基于国内装置的实验数据进行分析，为实验结果的解释及将来的实验规划提供有意义的参考，也为自发转动在ITER上的作用提供重要依据。

托卡马克中的环向流剪切对于湍流的抑制及反常输运的降低极为重要，对于实现稳态运行有重要意义。在未来的托卡马克上，自发转动可能成为驱动环向转动的重要机制，并对改善等离子体约束产生重要作用；另外，对于燃烧等离子体，快粒子的作用也需要考虑。自发转动在国外各个装置都被观察到，且和太阳中的剪切旋转、差旋层、大气中的喷射气流等自然现象相关，在国际上受到了极大关注，也是一个值得研究的基本问题。.首先，本工作基于回旋动理学方程和混合的WKB-全波方法，对现有的波包程序WPC-DW进行了升级，求解微观不稳定性的二维模结构，并分析其对称性破缺机制和导致的自发动量流。升级的WPC-DW与欧洲的大型粒子代码ORB5进行了对比并取得了一致的结果。WPC-DW基于模结构分解方法，速度快了一个量级，为输运建模提供了有力的支持。.其次，本工作考虑电磁扰动和快粒子的影响，就对称性破缺问题进行了一系列研究，是这个课题最早考虑快粒子物理的研究的工作之一，是对前人关于快粒子非微扰效应和动量输运研究的一个拓展，揭示了快粒子对模结构对称性破缺和动量输运的作用，对于预测未来燃烧等离子体的约束特征和设计、控制实验有重要作用。.再者，本工作对自发力矩相对于各宏观物理量的定标率进行了研究，并基于国际上装置的实验数据进行了分析，为实验结果的解释及将来的实验规划提供有意义的参考，也为自发转动在ITER上的作用提供重要依据。.最后，本工作发展了新的全托卡马克位形的粒子模拟程序TRIMEG。该代码基于非结构化有限元方法，可以对复杂的几何边界进行处理并进行回旋动理学的模拟。该程序引起了国内外几个研究所的极大兴趣。