等离子体平衡的自洽流场分布与剪切流的形成机制研究

Tokamak plasmas rotation play important roles in suppressing turbulence fluctuation and maintaining stability, many experimental observations indicate that plasma can still rotate spontaneously without the external momentum input, however, its physical mechanism and spatial distribution is an outstanding issue. The main motivation of this work is to investigate plasma equilibrium with a self-consistent flow based on the steady state of MHD equations in the existence of velocity field which can be taken as the first term, to clarify its spatial distribution before the external driven approach, and to explore the possible mechanism of shear flow with LHW driving mode. These research work will provide theoretical foundation to control and suppress the important macroscopic instability(NTM，RWM) for the reactor, especially at plasma core.

托卡马克等离子体转动在等离子体稳定性和湍流压制方面起着极为重要的作用，即使无外部驱动时，实验发现等离子体一直处于转动状态（自发旋转），其物理机制及其空间分布一直是悬而未决的问题。本项目从载流的等离子体动量守恒方程出发，把流场效应（惯性项）看成一阶小量，旨在揭示欧姆放电下自发旋转与等离子体平衡位型的关联性，厘清外部驱动前等离子体旋转的空间分布形式（自洽流场），并探讨在有外部驱动源（低杂波或者ECR等）的情况下，剪切流形成的可能机制，为控制和压制一些对反应堆芯来说特别重要的宏观不稳定性（NTM，RWM等）提供理论依据。

托卡马克等离子体转动在等离子体稳定性和湍流压制方面起着极为重要的作用，即使无外部驱动时，实验发现等离子体一直处于转动状态（自发旋转），其物理机制及其空间分布一直是悬而未决的问题。本项目先在环坐标系下求解静态Grad-Shafranov 方程，根据实验测量数据，并获得了等离子体参数分布（压强、极向电流，环电流密度等），所得结果与传统的EFIT平衡模型一致。对于不可压缩流体，根据广义欧姆定律，获得了与静态平衡相匹配的自洽流场。2维数值结果表明，等离子体放电引起的Shafranov位移会导致角向磁场分布的不对称性，因此安全因子的分布具有2维结构。在环坐标体系下，自洽流场、电流密度、电场的分布与磁场有相似的三维多极场结构特征，局部存在涡旋场或者电偶极子场，这些多极场结构的激发机制是磁流体结构模式与环效应的耦合协同作用。建立了低杂波对环向转动速度（考虑平衡流的影响）驱动效应的物理模型，成功解释了之前实验上观察到的剪切流与速度反转现象；发现剪切流的形成与装置的电、磁场结构，等离子体参数分布等因素密切相关，而且平衡流的作用不可或缺。这些研究工作揭示了欧姆放电下自洽流场与等离子体平衡位型的关联性，厘清了外部驱动前等离子体旋转的空间分布形式（自洽流场）。所获结果有助于理解外加扰动场与控制撕裂模相互作用、局域径向等离子体流、磁涡旋的物理机制以及相对于横越传统的极向磁场的输运特性。