快粒子对电阻壁模不稳定性动理学效应的理论和数值模拟研究

The resistive wall mode (RWM) instability can result in a major disruption of the tokamak discharge,limiting the achievable beta (normalized plasma pressure) and the fusion power production.Therefore,the RWM is one of the critical challenges for the long-pulse high beta discharges of ITER.The RWM has received extensive attentions and investigations during recent years.However, the passive stabilizing mechanism for the RWM has not been fully invetigated so far.The observations of both JT-60U and DIII-D devices have shown that the energetic particles(EPs) can provide significant kinetic influence on the RWM instability.Trapped EPs can stabilize the RWM due to the mode-particle resonant interaction.Meanwhile, when the EPs beta exceeds a critial value, trapped EPs can trigger a bursting fishbone-like mode(FLM) instability with an external kink eigenstructure. This project aims at a systematic investigation of physical mechanism of the interaction between the EPs and the RWM and FLM instabilities, focusing on the following aspects: 1) to develop an analytic theory to offer the physical explanation for the observations of the present Tokamaks and the possible prediction for the operation of ITER; 2) to develop a computational model of these instabilities, either using the existing MHD-kinetic hybrid codes (e.g. MARS-K) or developing new codes to investigate the effects of the EPs on the RWM- and FLM-instabilities in the realistic tokamak configurations and geometry,providing quantitative support to the fusion experiments.

电阻壁模（RWM）不稳定性会导致托卡马克中等离子体大破裂，限制等离子体的比压极限及聚变增益，RWM是ITER长脉冲稳态运行所面临主要的磁流体(MHD)不稳定性之一。因此RWM得到越来越多的重视和研究。关于被动抑制RWM的物理机制还没有完全研究透彻。目前JT-60U和DIII-D上已经证实快粒子的动理学效应对RWM有非常重要的影响:快粒子一方面可以对RWM有稳定作用；另一方面可以触发一种类鱼骨模不稳定性的突发。申请人曾提出一个理论模型，得到的结果与上述实验观测定性一致。本课题拟解决的关键问题是托卡马克中快粒子与RWM不稳定性之间相互作用的物理机制，进一步完善我们的理论模型,为目前的托卡马克实验以及未来ITER装置提供理论支持；在RWM不稳定性数值模拟程序（MARS-K）的物理模型内加入快粒子效应，使用改进的程序，数值模拟托卡马克以及ITER的RWM不稳定性发展过程，找到其控制机理.

电阻壁模（RWM）不稳定性会导致托卡马克中等离子体大破裂，限制等离子体的比压极限及聚变增益，RWM 是ITER 长脉冲稳态运行所面临主要的磁流体(MHD)不稳定性之一。因此RWM 的抑制问题得到越来越多的重视和研究。关于快离子以及热粒子动理学效应影响RWM 物理机制还没有完全研究透彻。目前JT-60U 和DIII-D 上已经证实快粒子的动理学效应对RWM 有非常重要的影响:快粒子一方面可以对RWM 有稳定作用；另一方面可以触发一种类鱼骨模不稳定性的突发。结合相关的物理实验，本课题拟解决的关键问题是托卡马克中快粒子对RWM 不稳定性影响的理论和数值模拟研究。主要的研究成果如下所述:.(1）热粒子动理学效应对电阻壁模的影响：当等离子体环向旋转频率较小时，模式的增长率敏感地依赖于热粒子的碰撞率，当转频率较大时，模式的增长率不敏感地依赖于粒子碰撞率以及离子温度和电子温度的比值。应用MARS-K数值模拟程序在环几何位形下自洽地研究了粒子碰撞率对电阻模式不稳定性的影响，得到了与理论一致的结论，进一步验证了相关结论的可靠性。这对未来运行在低碰撞率区间的ITER提供物理上的预研.（2）快离子激发鱼骨模/类鱼骨模的数值模拟研究：应用MARS-K程序开展了基于自洽方法的数值计算，结果表明当快离子比压高于一定的阈值，捕获的快离子可以激发内/外扭曲模结构的鱼骨模,尤其是在电阻壁模不稳定区间，快离子可以驱动全域结构的鱼骨模。更详细的数值模拟表明：激发阈值依赖于热粒子的动理学贡献以及等离子体旋转剖面；另外，解析结果表明捕获快离子可以驱动模结构局域在边界的剥离模。相关的结果可以定性的解释DIII-D上观测到的边界不稳定性。..总之，我们得到的结果进一步阐述了快离子影响电阻壁不稳定性的物理机制，以及为先进托卡马克中电阻壁模不稳定性进行了相关的预研