托卡马克等离子体旋转和径向电场的物理机制研究

本项目将研究托卡马克中等离子体（平均）转动和径向电场产生的物理机制以及外部动量注入对转动和径向电场的影响。首先从新经典多流体动量方程出发，分析研究无外部动量注入情况下旋转和径向电场产生的机制；关键是了解多流体动量方程中极化效应和粘滞效应对径向电流的贡献。其次探索外部手段控制旋转和径向电场的机制。我们将从包括外部动量源的流体动量方程出发，分析外部动量注入影响转动和径向电场的机制。关键问题是分析粘滞效应；由于环向对称性决定了新经典环向粘滞为零，需要讨论环向粘滞的反常过程；我们将采用已有的反常环向粘滞理论模型。将我们的结果与已有的实验比较，以求初步建立旋转和径向电场的控制理论模型。

本项目主要研究托卡马克径向电场与环向转动以及相关的输运问题。取得了如下重要成果。.1）完成了美国麻省理工大学C-mod装置上低混杂波驱动托卡马克等离子体环向旋转实验的模拟工作。我们的模拟结果与C-mod的实验数据符合很好。2）将回旋动力学方程发展成输运方程形式。3）完成了非线性回旋动力学规范不变性的证明。4）采用半拉格朗日方法，完成了托卡马克测地声模的漂移动力学大规模并行模拟程序的自主开发与调试，在此基础上完成了多离子成分托卡马克测地声模的数值模拟。5）利用我们提出的I-变换方法，将不规则运动与规则运动解耦，从一般的弗拉索夫方程出发发展了非线性弱湍流输运理论，可以统一地描述准线性输运和非线性随机输运。6）将基于I-变换方法的湍流输运理论推广到回旋动力学情形，得到了回旋动力学非线性湍流散射项。7）用我们之前发展的I-变换方法，对静电湍流引起的平行动量输运开展了系统的理论研究，证明了存在宏观流动情形下湍流输运的Onsager对称关系，基于这一结果对反常动量输运中的残余Renolds协强给出了清晰的物理解释。8）利用我们之前发展的I-变换方法，对射频波引起的平行动量输运开展了系统的理论研究。系统地揭示了射频波引起的粒子、能量以及平行动量的再分配。9）开展了边界离子轨道损失引起同电流方向旋转的理论研究。指出了之前国际同行在研究同类问题时的一个关键错误，得到了与实验观测的边界旋转一致的理论结果。10）开展了内部输运垒对类ITER托卡马克反应堆中阿尔法粒子加热的影响的数值模拟研究。结果表明导心轨道宽度效应对加热剖面和氦灰的源项分布有重要的影响。这为后续研究燃烧等离子体中径向电场打下了基础。11）完成了基于湍流非线性散射理论的一维非线性VLASOV-泊松问题的数值研究。通过模拟线性和非线性朗道阻尼问题和一维电子朗缪尔湍流，验证了我们的理论和算法，从而为下一步工作打下了坚实的基础。12）开展了托卡马克转动影响测地声模的研究。