托卡马克装置等离子体芯部捕获电子模（TEM）的模拟研究

Alpha particles in the core plasma in tokamaks will heat electrons dominantly, so the electron heat transport will be one of the key problems. Electron heat transport is normally anomalous in present devices. The trapped electron mode (TEM) is one of the main candidates to explain turbulence driven electron heat transport observed in tokamaks. But till now TEM is studied insufficiently in present devices. This research project about TEM will be carried out on the EAST device. The research will focus on TEM performance during dominant electron heat in the core plasma by Gyro-kinetic simulation. The dependence of the TEM threshold on several parameters such as the ratio of electron temperature to ion temperature, normalized density gradient, safety factor q, magnetic shear and collisonality will be studied, and the transition mechanism between TEM and ITG is also investigated. Combining with the experimental data, TEM will be understood thoroughly. The research can help understand further the mechanism of electron heat anormalous transport and confinement with dominant electron heat in tokamaks. It is also beneficial for ITER plasmas and future fusion plant as well.

托卡马克等离子体芯部产生的alpha粒子主要加热电子，电子热输运是未来装置关键问题。目前托卡马克装置中，电子热输运往往都是反常的，捕获电子模（TEM）被认为是引起电子反常热输运的一个重要因素，但是目前装置上对TEM的行为研究不够深入。本项目依托国家大科学工程EAST装置，在电子加热占主导情况下，利用回旋动理学模拟等离子体芯部捕获电子模（TEM）行为。分析TEM阈值与等离子体参数如电子离子温度比、磁剪切、安全因子、密度特征长度、有效碰撞率的关系，以及TEM与ITG相互转换的机制。通过与实验数据相结合，对TEM进行较为系统的研究，从而对TEM有较为深刻的认识和理解。通过本项目的研究，可以进一步对电子加热占主导时芯部电子反常热输运的理解和掌握，有效控制电子反常输运，更好地约束等离子体，对ITER及其他聚变装置具有借鉴意义。

在托卡马克装置中TEM模是引起电子反常输运的重要因素，本项目根据研究目标和内容，围绕TEM模进行相关研究。研究重要结果如下：.归一化的电子温度梯度特征长度阈值和离子温度梯度特征长度阈值均随着电子离子温度比的增加而降低，电子热输运随着电子离子温度比的增加而增加，该研究结果对等离子体反常热输运行为较为深刻理解。. 基于回旋动力学程序GTC计算， TEM增长率随着电子离子温度比的增加而增加。Te/Ti对TEM的影响相比对ITG的影响较弱一些，且TEM增长率随着磁剪切s的增加而降低；TEM增长率随着安全因子q的增加而增加。该研究结果能够进一步解释不同加热手段下微观湍流对热输运的影响。.对于TEM模来说，随着离子温度特征长度的增大，增长率变化不大，但是其增长率随电子密度和温度特征长度的增大而增大，两者对其有明显的解稳效应。在离子温度梯度低于电子温度梯度时，TEM依然是等离子体中的主导不稳定性。在离子温度梯度接近或超过电子温度梯度后，可能会产生TEM向ITG的模转换。.在GTC模拟过程中，研究了有无电子碰撞对湍流的影响，发现电子碰撞对高k_θ ρ_s的模的抑制作用较强，在有碰撞条件下，湍流的强度明显降低。.随着磁剪切的增加，TEM增长率降低；随着安全因子的增加TEM增长率增加。在TEM占主导是，随着辅助加热对离子的加热增大，离子温度升高，离子温度梯度的作用开始显现，归一化离子温度梯度对于ITG模的激发作用，使TEM模占主导的湍流向ITG模为主导的湍流。. 该项目的研究成果有利于对电子加热占主导时引起电子反常热输运的微观湍流的理解和掌握，对未来ITER\CFETR等聚变装置具有借鉴意义。