EAST托卡马克上高能粒子对新经典撕裂模不稳定性的影响

The neoclassical tearing mode (NTM) is an important magnetodydrodynamcis (MHD) instability in high-betan plasma which seriouly degrades the stored energy, decreases the fusion efficiency, increases loss of energetic parteicles, and even leads to plasma disruption via coupling with other MHD modes. It was studied broadly in devices, such as DIII-D,JET, ASDEX-Upgrade,HL-2A,EAST etc. In particular, the effect of energetic particles on inermal kink modes were emphasized to predict the relevant alpha particle physics in ITER. However, the study of effects on NTM is just in the beginning [H.Cai et al, Phys. Rev. Lett. 106,075002 (2011)]. There are three problems deserving investigation in EAST: (1) the stability boundary of NTM due to the contribution of energetic particles; (2) the effect of enrgetic particles on the evolution of magnetic island; (3) the steady-state operation change due to the NTM-resulted loss of energetic particles. These can be studied in EAST because of its multiple auxiliary heating systems to actiely control energetic paritcles, and available diagnostics for NTM modes and energetic particles.

在高比压托卡马克运行中，新经典撕裂模（NTM）是一类重要的磁流体不稳定性：它严重地降低储能，导致聚变中子产额下降，增大高能粒子损失，甚至与其它MHD模耦合导致等离子体破裂。国际上主要装置，如DIII-D,JET,ASDEX-Upgrade，HL-2A，EAST等，都广泛开展NTM的研究。研究高能粒子与NTM作用有助于理解ITER聚变产物alpha粒子的相关物理。高能粒子对内扭曲不稳定性的影响得到广泛的研究，然而对NTM影响的研究正处于初始阶段[H.Cai et al, Phys.Rev.Lett.106,075002(2011)]。 本项目拟研究以下三方面内容：（1）高能粒子对NTM稳定性边界的影响；（2）对磁岛非线性演化的影响；（3）NTM导致的高能粒子损失对托卡马克稳态运行的影响。EAST上有多种加热方式，能主动控制高能粒子，有研究NTM和高能粒子的诊断，这促使和保障此项目顺利开展。

高能粒子是磁约束托卡马克等离子体不可避免的一类特殊粒子。在热核聚变反应堆中，聚变产物（alpha-粒子）在一定条件下具有高能粒子类似的特性：这些高能粒子将激发一系列磁流体不稳定模式，尽而相互作用导致高能粒子损失，降低储能。本项目研究宏观的撕裂模和新经典撕裂模的高能粒子效应，包括模的线性和非线性不稳定性。.1，.浅捕获高能电子能够激发撕裂模，撕裂模呈现典型的调频现象。密度扫描实验中，随着碰撞率的增大，电子转化为通行粒子，撕裂模渐变稳定。既然电子作为热核聚变中alpha粒子-聚变离子的能量传递媒介，由于较低的碰撞率，捕获与通行高能电子将频繁发生，因此，撕裂模将可能解稳，同时扰动自举电流。目前的研究仅仅揭示高能电子与撕裂模的作用机理，尚未对主动控制进行探索。.2，.高能离子能够激发新经典撕裂模，在一定条件下引起锁模。在低转矩等离子体（聚变堆通常是低转矩的），高能离子的约束变化会影响整体转矩平衡，这将引入离子极化电流，实验表明，离子极化电流能够改变新经典撕裂模的稳定性，这主要依赖转动频率对电子逆磁频率的比值。当比值大于1时，新经典撕裂模解稳，小于1时稳定。在平衡电流梯度决定的撕裂模稳定性参数远远小于零时，离子极化电流很难对新经典撕裂模稳定性产生较大的作用。因此种子磁扰动还是一个重要的量，在聚变堆芯中，这一磁扰动主要源于高能电子的动理学效应，也就是高能电子的捕获-通行转化过程影响撕裂模的稳定性。.3，.高能离子能够非线性调节磁岛，当电子逆磁频率增大时，磁岛锁定，导致大破裂。再次表明电子动理学对聚变堆芯稳定性的重要性。.通过研究高能电子和高能离子与撕裂模的作用，发现整个堆芯的稳定性主要源于电子的动理学特征：在高能粒子背景下，电子逆磁漂移和进动漂移对撕裂模及新经典撕裂模线性和非线性稳定具有重要的影响。