高频波与粒子相互作用的相空间输运理论研究

The question of the plasma rotation and the momentum transport induced by ICRF is one of the important problems on the interaction of the radio-frequency wave and the particle in tokamak plasmas. This project will use the gyrokinetic method to study the phase-space transport theory based on the interaction of the high-frequency wave (ICRF) and particle in tokamak plasmas. First, in the general geometry, we will use the I-transform method to separate the parts of the high-frequency wave perturbations from the equilibrium quantities, and derive the gyrokinetic equation for the high-frequency wave from the Vlasov equation, which is based on the oscillating center coordinates. Through the phase-space transformation and the ensemble averaging, we can obtain the phase-space transport equation. The phase-space transport theory contains the space inhomogeneity of the equilibrium magnetic field and the equilibrium distribution function, and the resonant effect of the wave-particle interaction. By integrating the phase-space transport equation in the velocity space, we can obtain the particle, momentum and energy transport equations. Then, we will use the momentum transport to analyze the physical mechanism of the plasma flow driven by the high-frequency wave and the effect of the nonlinear force on the plasma rotation and the momentum transport. The theoretical results of our work will be useful for understanding the experiment phenomenons about the plasma rotation driven by ICRF.

离子回旋频段波引起的等离子体转动和动量输运问题是托卡马克等离子体中射频波与粒子相互作用的重要问题之一。本项目将利用回旋动理学方法研究高频波（离子回旋频段波）与粒子相互作用的相空间输运理论。首先，我们将在一般几何下利用I-变换方法将高频波扰动部分与平衡量分开，从而由Vlasov方程得到高频波的基于振荡中心坐标的的回旋动理学方程。通过相空间变换和系综平均，可以得到相空间输运方程。所得的相空间输运理论包含平衡磁场和平衡分布函数的空间不均匀性以及波-粒子相互作用的共振效应。将相空间输运方程对速度空间积分，可以得到粒子、动量、能量的输运方程。然后，我们将所得的动量输运方程用于分析高频波驱动等离子体流的物理机制以及非线性力对等离子体转动和动量输运的影响等问题。本研究工作的理论结果将为离子回旋频段波驱动等离子体转动的实验提供参考。

离子回旋波(ICRF)引起的等离子体转动和输运是托卡马克等离子体中射频波与粒子相互作用的重要问题之一。我们基于I变换方法发展了托卡马克等离子体中包含离子回旋波的相空间输运理论。相空间输运方程包含平衡场的空间不均匀性以及高频波与粒子相互作用的共振效应。由相空间输运方程我们得到了包含ICRF的粒子、动量、能量输运方程。利用流体输运方程，我们分析了ICRF对等离子体转动和输运的影响。我们提出了一种新的ICRF驱动转动的机制用于解释无动量注入少子ICRF加热下等离子体转动的现象。对于对称谱发射的ICRF，环向动量的非对称共振吸收会产生非线性力。此非线性力与少数离子的环向转动有关。这个ICRF引起的非线性力可以产生可观的环向转动，与实验观测到转动速度量级一致。我们对原先的导心轨道程序GYCAVA作了升级和改进，并研究了电磁扰动对粒子运动、损失和再分布等的影响。我们基于I变换方法模拟了朗道阻尼等物理过程，合作发展了托卡马克位形下的回旋动理学程序NLT，对GAM和ITG作了线性模拟，对ITG湍流作了非线性模拟。我们基于I变换方法理论研究了ITG引起的反常输运。