针对磁化等离子体中高频波物理的保能量数值模拟研究

High-frequency waves heating is one of the main heating methods for magnetic confinement fusion devices. But the physical mechanism of the interaction between high-frequency waves and magnetized plasma are still veiled. It will have a profound impact for physical theory and simulations to develop a systematic numerical method with conserving properties. Constructing energy-preserving algorithm for various physical problems from the interaction between high-frequency waves and magnetized plasma can effectively simulate the complex dynamics of plasma, and can obtain the goal of improving plasma confinement. The proposed investigation includes developing the energy-preserving algorithms for gyrocenter dynamics and Vlasov-maxwell equations and accomplish of energy-preserving Particle-in-cell simulations.

高频波加热是对磁约束装置进行辅助加热的主要方式之一。但高频波与磁化等离子体相互作用的物理机制尚不十分明确，因此发展一套具有高度精确性、长期守恒性的数值模拟方法，对进一步全面认知这些物理机制具有重要的理论和实践意义。为完整、准确地再现等离子体复杂动力学行为，保证模拟结果的能量守恒性，需要针对高频波与等离子体相互作用过程中的不同物理问题，构造相应的保能量数值算法。本项目计划发展并应用具有长期保能量性质的算法模拟磁化等离子体物理问题，以提高EAST等磁约束聚变装置的约束水平。项目计划的研究内容包括发展并实现保能量的回旋动理学算法、完成针对Vlasov-Maxwell方程的保能量数值模拟，并改进现有的程序以实现具有更高准确性和长时间能量守恒性的集成PIC模拟。

本项目主要完成的研究内容包括：针对粒子导心系统构造了具有严格保能量的二阶数值算法、发展了针对Vlasov-Maxwell方程的低阶保能量数值格式及高阶保非正则辛算法，其中保非正则辛算法不仅能严格保持非正则辛结构守恒，还能保持局域能量的守恒性。并且改进现有的程序实现了具有更高准确性和长时间能量守恒性的集成PIC模拟。基于这些具有高度准确性和长期守恒性的保结构算法，我们可以准确模拟射频波与等离子体相互作用的物理问题，并深入、高效地指导针对真实托卡马克几何位形下射频波物理的实验研究。为磁化等离子体的模拟和研究、实现受控热核聚变提供可靠的依据，可以进一步提高EAST、ITER、CFETR等聚变装置的约束水平，服务于实现磁约束聚变能源的目标。