等离子体高电子beta系数托卡马克装置中的螺旋波电流驱动

Off axis non-inductive current drive is important for high performance operation of Tokamak. It is shown that helicon wave that behaviors like the whistler wave, can effectively drive plasma current through electronic Landau damping, and high current drive effectively could be obtained for tokamak plasma with high electron beta . As the consequence, the helicon wave is expected to play important role and have potential application in the next tokamak device. In the project, the helicon wave dispersion relation including the warm plasma effect will be analyzed theoretically. On the other hand, the behaviors of helicon wave current drive in HL-2A(M) and EAST with high electron beta will be investigated numerically through the ray-tracing equation coupled with the CQL3D code. Moreover, effect of the plasma density and temperature, the magnetic field and the wave spectrum distribution on the helicon wave current drive in CFETR will be studied, and optimized physical parameters related to the helicon wave current drive are to be obtained. The research is expected to provides a theoretical support for the domestic Tokamak experiments.

离轴非感应电流驱动是维持托卡马克装置稳态、高性能运行的重要手段。研究表明，在高电子beta系数条件下，具有哨声波特征的螺旋波通过电子朗道阻尼能够有效的离轴驱动等离子体电流，并且有较高的电流驱动效率，在托卡马克装置中具有重要的和潜在的应用前景。本项目的研究，一方面，从动理学方程理论推导热等离子体螺旋波的色散方程，研究托卡马克等离子体堆级条件下热模项对螺旋波色散方程的影响；另一方面，通过ray-tracing模型耦合CQL3D开展数值模拟研究，依托国内HL-2A（M）和EAST国家大科学装置，理论研究高电子beta系数条件下的螺旋波电流驱动和加热；特别针对CFETR装置，研究等离子体密度和温度、磁场拓扑结构、螺旋波发射谱等对波功率沉积和波驱动电流的影响，获得优化的螺旋波电流驱动的主要物理参数。本项目的研究为国内相关的托卡马克实验研究和工程设计提供理论参考。

本项目依托国家托卡马克装置开展螺旋波电流驱动的研究，理论上，从等离子体色散函数出发，利用快波的色散关系，分析求解了高电子beta条件下磁泵谱项对波吸收系数的影响，编写程序，数值计算获得了等离子体电子阻尼系数随波频率的变化，获得了强电子朗道阻尼对应的波参数，同时，当波率大于10倍离子回旋频率时，螺旋波与等离子体相互作用的主要物理机制是电子朗道阻尼。数值上，依托GENRAY/CQL3D程序，通过修改和调试程序，研究获得了EAST、HL-2M和CFETR装置中的螺旋波电流驱动。研究结果表明，EAST装置在电子温度10KeV放电模式下，可以获得部分离轴的螺旋波驱动电流；HL-2M稳态模式满足螺旋波高电子beta条件，波频率500MHZ以（3-4）的平行折射率注入，可以获得高于100KA/MW的离轴电流驱动效率，并且波功率径向沉积位置可以通过改变入射波的平行折射率来调节；CFETR装置优化的螺旋波波频率约700MHz、波平行折射率选择<2，可以在归一化半径约0.5的位置获得高于30KA/MW的电流驱动。此外，通过与混合模式（hybrid）比较，控制等离子体杂质水平有助于提高电流驱动效率。项目研究结果表明，国内托克马克装置的高温等离子体放电参数条件下，螺旋波电流驱动有显著的优势。. 此外，利用GENRAY/CQL3D程序，研究了EAST装置SOL中的低混杂波功率沉积；利用NURBEAM程序对EAST装置中性束注入力矩的演化问题开展了积极的研究。. 总之，在项目组成员的共同努力下，顺利完成了项目的研究任务，实现了项目的研究目标。