托卡马克中低杂波驱动等离子体转动的理论与数值模拟研究

This project is aimed to study the plasma rotation driven by the lower hybrid waves (LHW) in tokamaks theoretically and numerically. Based on the numerical simulation code developed for the analysis of the plasma rotation in tokamaks and the previous work concerned about the plasma rotation driven by the LHW in tokamaks, the mechanisms of the co- and counter-current plasma rotation driven by the LHW will be studied. A code for the numerical analysis and simulative prediction of the plasma rotation with the LHW injection in tokamaks will be developed. And the code will be used on EAST tokamak. The LHW is the most important method for the current drive on EAST tokamak now and it is important for EAST to operate in the high confinement mode and steady-state. Understanding the mechanisms of the plasma rotation driven by the LHW will provide the theory basis and the numerical simulation tools for us to control the plasma rotation through the external methods. And it will provide the support for EAST tokamak to be operated in the high confinement mode and to achieved the steady-state long pulse operation.

本项目主要是运用理论与数值模拟相结合的方法深入地研究托卡马克中低杂波驱动等离子体转动的机制。基于我们开发的托卡马克中等离子体转动的数值模拟程序，在我们关于托卡马克中低杂波驱动等离子体转动的工作的基础上，深入地研究托卡马克中低杂波驱动同电流与反电流方向等离子体转动的物理机制，开发用于托卡马克中低杂波注入情况下等离子体转动的数值分析与模拟预测程序，并应用于大科学装置EAST 托卡马克。低杂波是EAST装置上现今最主要的电流驱动手段，对于实现EAST高约束运行模式以及稳态运行有着很重要的作用，搞清楚托卡马克中低杂波驱动等离子体转动的物理机制，能够为我们能够通过外部手段控制等离子体转动提供理论依据与数值模拟工具，为EAST托卡马克实现高约束模式运行以及长脉冲稳态运行提供支持。

在本项目的支持下研究了EAST/DIII-D联合实验高极向比压放电的能量输运、转动托卡马克等离子体中杂质密度内外不对称分布形成的物理机制以及托卡马克等离子体爬升集成模拟。主要研究成果总结如下：（1）利用集成模拟工具OMFIT、输运程序TGYRO、湍流输运程序TGLF、新经典输运程序NEO以及平衡程序EFIT系统研究了高比压放电情况下离子和电子的能量输运特性。发现其中的离子能量输运是由新经典输运主导，并且EXB剪切对抑制离子尺度的湍流能量输运起着很弱的作用，Shafranov shift对抑制离子尺度的湍流能量输运以及离子输运垒的形成起着很重要的作用；（2）我们提出了一种新的驱动托卡马克中杂质离子密度内外分布不对称的物理机制。在转动等离子体中，杂质离子沿着环向转动的同时还沿着极向转动，杂质离子的这种转动模式使得杂质离子受到离心力作用外还会受到科里奥利力作用。科里奥利力沿着环向，与磁力线的螺旋性一起影响杂质离子沿着磁力线或在磁面上的分布。如果杂质离子沿着磁力线由低场侧向高场侧运行时，感受到正的科里奥利力，杂质离子会被科里奥利力推向高场侧，形成内外不对称性；反之被推向低场侧，形成外内不对称；（3）基于集成模拟工具OMFIT构建了CFETR等离子体爬升集成模拟流程，完成了DIII-D上ITER-like等离子体电流爬升实验以及高自举电流份额实验二次电流爬升放电的模拟验证工作，对输运模型以及集成模拟流程在等离子体电流爬升段进行了验证。