托卡马克等离子体环向转动对带状流非线性激发过程影响的理论研究

带状流的非线性激发研究是托卡马克等离子体约束和湍流输运研究的重要课题之一，等离子体环向转动与输运之间的关系是一个具有重要意义的研究方向。本课题研究环向转动对带状流非线性激发过程的影响，分别在磁流体力学和等离子体动力学的理论框架内，研究不同条件下的带状流非线性激发过程中的环向转动效应。对于环向转动具有不同径向分布的等离子体，推导出关于带状流非线性激发的较为典型的数学物理方程，并求出方程的解析解。根据所求得的解析解，对不同条件下的带状流的非线性激发过程，分析具有不同径向分布的环向转动所产生的物理效应。最后对方程进行数值求解，计算出具有不同径向分布的环向转动等离子体中的带状流的非线性激发过程，给出相应的带状流和湍流谱的结构分布图，并对解析解进行验证。开展这一课题对实现未来托卡马克聚变堆高性能运行具有重要意义。

该项目采用参量激发方法分别对漂移波激发测地声模和低频带状流的非线性过程中的环向转动效应进行了研究。首先，采用参量激发方法研究了漂移波激发测地声模过程中的环向转动效应，给出了具有环向转动托卡马克等离子体中漂移波参量激发测地声模过程中非线性增长率的解析表达式。结果表明环向转动使得测地声模的径向波数变大、非线性增长率增加，该过程中的决定性因素是环向转动引起的测地声模频移，而由于环向转动产生的非线性项所起的效应相对很小。其次，采用参量激发方法研究了漂移波激发低频带状流过程中的环向转动效应，给出了具有环向转动托卡马克等离子体中漂移波参量激发低频带状流过程中非线性增长率的解析表达式。结果表明当漂移波泵波振幅在某一阈值以下时，环向转动促进漂移波激发低频带状流；而当漂移波泵波振幅在某一阈值以上时，环向转动抑制漂移波激发低频带状流；并且只要存在有限的环向转动速度和有限的泵波振幅，低频带状流就必然具有有限的增长率。