高能粒子与撕裂模不稳定性相互作用的研究

The D-T burning experiment in the future ITER device will begin in 2020s, it is important to control the fast loss of the energetic alpha-particle due to the magnetic islands generated by the tearing instability. Because the physical mechanisms of the interaction between alpha-particle transport and the tearing instability is still not very clear, it is helpful to do some prospective research in order to evaluate the alpha-particle transport and control the tearing modes in ITER experiments. By using the 3D gyro-kinetic simulation code: GTC, we plan to calculate the effect of the magnetic islands on the radial transports of the fast ions and energetic electrons based on the experimental parameters of HL-2A and EAST. The numerical results will be compared with the experimental observations in HL-2A and EAST devices and the previously analytical explanations as benchmark. Then, under the parameters of ITER experiment, the effect of the magnetic islands on the alpha-particle distribution and transport will be discussed. At last,the effect from energetic particles to the evolutiopn of the tearing evolution will also be studied via the hybrid GTC code.

ITER装置上的物理实验将在2020年代开始，如何避免因撕裂模磁岛存在而导致氘氚自持燃烧产生的alpha粒子的快速损失，关系到反应能否持续，是ITER实验中的重要课题之一。由于alpha粒子与撕裂模不稳定性相互作用的机制尚不明确，我们计划开展一些前瞻性的工作，从而为未来ITER燃烧等离子体中alpha粒子损失的预测和撕裂模不稳定性的有效控制提供帮助。本课题将利用三维回旋动理模拟程序GTC（Gyrokinetic Toroidal Code），通过大规模数值计算与理论和实验相结合的方式开展工作。首先，根据HL-2A和EAST实验参数，利用GTC程序计算不同情况下磁岛结构对快离子和高能电子的径向输运的影响，并将计算结果与理论预测和实验数据进行对比，以验证程序和物理解释的有效性。以此为基础，在ITER参数下，讨论磁岛对alpha粒子分布和输运的影响，以及高能粒子对撕裂模不稳定性演进的影响。

如何避免因撕裂模磁岛存在而导致氘氚自持燃烧产生的alpha粒子的快速损失，关系到聚变反应能否持续，将是未来ITER实验中的重要课题之一。由于alpha粒子与撕裂模不稳定性相互作用的机制尚不明确，这里，我们开展了一些前瞻性的相关工作。本课题利用三维回旋动理模拟程序GTC（Gyrokinetic Toroidal Code），通过大规模数值计算与理论相结合的方式开展了以下工作：1）在GTC程序中加入磁岛结构和高能粒子效应，根据HL-2M参数，利用GTC程序计算了不同碰撞频率情况下、不同转动频率和宽度的磁岛结构对不同速度分布情况下的热离子和快离子径向分布和输运的影响；2）在GTC程序中加入新的扰动磁面平均算法，再结合Rutherford磁岛演进公式，计算了快离子对撕裂模增长率的影响；3）讨论了alpha粒子的新经典输运，以及磁岛对高能粒子分布和输运的影响；4）讨论了磁岛结构对ITG湍流增长、饱和及径向输运的影响。这些工作能为未来ITER燃烧等离子体中alpha粒子损失机制的理解和撕裂模不稳定性的有效控制提供一些思路和帮助。.