粒子轨道效应对托卡马克内部输运垒径向电场影响的研究

托卡马克中不仅存在具有边界输运垒的高约束模式，同时还具有内部输运垒(ITB)的高约束模式。实验和理论均表明，ITB同径向电场密切相关。本项目将研究粒子轨道效应对ITB中径向电场的影响。该效应主要体现在两个方面：首先是晕效应，指粒子密度剖面的特征尺度受粒子径向漂移的影响不会小于其径向漂移尺度，而离子的径向漂移(即轨道宽度)远大于电子的，所以在电子密度梯度很陡的地方，离子无法快速响应而对径向电场有贡献；另外是离子的直接轨道损失效应，离子因为径向漂移大而容易穿过最外的闭合磁面损失掉，在特定的磁场位形下这种损失还会深入到等离子体内部，从而对径向电场有贡献。本项目将以自主开发的单粒子导心轨道程序GCM为基础，主要应用数值模拟的办法，研究粒子轨道效应在不同的磁场位形，不同的加热条件下对ITB径向电场的影响。该研究将有助于理解托卡马克中ITB的径向电场形成机制，进而改善对ITB的控制。

本项目侧重从数值模拟角度研究粒子轨道效应对托卡马克内部输运垒径向电场的影响。所以在该基金的支持下，做了许多与单粒子运动程序密切相关的工作，并开展了广泛的合作。. 我们首先把自主开发的导心程序GCM扩展到能准确计算磁轴附近的轨道。原先GCM采用磁面坐标系，磁轴为磁面坐标系的奇异点。改为采用大柱坐标和极向磁通的混合坐标，不仅去除了磁轴这一数值奇异点，而且保留了磁面坐标计算精度高的优点。. 在单粒子轨道程序基础了，合作发展了一个连续介质的四维漂移动理学程序。该程序采用半拉格朗日算法，delta-f方法，使用了磁面坐标系。借助该动理学程序，数值研究了多离子系统中测地声模的行为，特别是可能通过控制杂质离子份额调制GAM的应用具有一定的意义。并在数值模拟工作的基础上，进而开展了环向转动对测地声模动理学影响的理论研究。研究结果和DIII-D及ASDEX-Upgrade的实验一致。. 通过跟踪大量离子的导心轨道，统计得到粒子分布的各种信息，如密度，加热剖面，损失份额等,数值模拟了在ITER参数、同时具有内部输运垒的运行条件下，alpha粒子自持加热剖面以及氦灰粒子的产生剖面。这些结果对于ITER实现自持加热以及氦灰排出具有一定的意义。. 访问了美国利弗莫尔国家实验室约4个月，开展合作研究。访问期间，参与了徐学桥教授的BOUT++团队研究工作。为BOUT++程序成功开发了单粒子在圆位形下的运动模块，偏滤器位形下的运动模块也初步完成。参加了2013年美国物理年会等离子体会议，张贴了大字报，在BOUT++的小会议上做了口头报告。. 托卡马克存在内部输运垒时，粒子的密度和温度剖面都存在很强的扭曲。在低碰撞率情况下，离子密度剖面的特征长度不能小于其香蕉轨道宽度。所以如果电子的密度剖面存在很强的扭曲，那么局部的电中性就会被破坏，径向电场就会出现。Hazeltine和C.S. Chang分别从理论和数值模拟角度阐释了该效应。我们通过简化的理论模型分析知道，温度剖面的强扭曲对离子轨道有类似的效应，对径向电场也会有贡献。我们从理论模型和数值模拟角度，对该效应做了研究。相关工作成果正在整理投稿中。