电子回旋波抑制托卡马克装置撕裂模不稳定性的理论研究

In tokamak devices, the tearing mode instability is often responsible for degraded plasmas confinement and is considered as a potential threat for the successful operation of burning plasmas experiments. It is well known that the electron cyclotron wave can be transmitted to the center region of plasma that with high temperature and high-density, diving a local plasma current and heating the plasmas. In this project, we will carry out theoretical and numerical studies of tearing mode instability in the Tokamak devices with electron cyclotron wave injection. Based on the basic principle of plasmas and electron cyclotron wave, together with the magnetohydrodynamic equations, we will propose a theoretical model where the effect of electron cyclotron wave on the tearing mode in tokamka is considered, in which the the profile of the current driven by the electron cyclotron wave and the related power deposition are obtained. On the consequence, an effective method of suppressing the tearing modes with electron cyclotron wave injection will be obtained. This project is of great significance to the tokamak experiments with high performance and steady state operation in the future.

托卡马克等离子体中的撕裂模不稳定性严重限制了等离子体的运行参数，甚至导致等离子体放电破裂，是制约托卡马克装置稳态、高性能运行的重要原因之一。电子回旋波能传播到高温、高密度的等离子体中心加热等离子体和驱动等离子体电流，并且驱动的电流和沉积的功率具有非常好的定域性，本课题将利用电子回旋波的这一特性，将其注入到等离子体撕裂模磁岛中，对其抑制撕裂模不稳定性作用开展理论研究。根据电子回旋波与等离子体相互作用的原理、磁流体力学基本理论，建立起相关的物理模型，研究电子回旋波在磁岛内驱动的等离子体电流和波功率的沉积，研究撕裂模磁岛的非线性演化过程和电子回旋波对撕裂模的抑制作用，获得如何用电子回旋波抑制撕裂模不稳定性，及决定制稳作用的主要物理因素，开展这一课题的研究对实现托卡马克等离子体高性能稳态运行具有极其重要的意义。

针对本项目的研究目标和研究内容，开展了积极的理论和数值模拟研究。一方面，依托国内的HL-2A和EAST托卡马克装置，研究了等离子体撕裂模和新经典撕裂模不稳定性，理论上获得了转动对撕裂模（新经典撕裂模）的影响，研究获得了新经典磁岛引起的快离子损失的投掷角（pitch angle）选择性的物理机制，采用GENRAY/CQL3D代码研究了电子回旋波与高谐快波协同电流驱动，电子分布的非绝热响应对测地声模阻尼的影响等；另一方面，采用数值方法，研究了平板位形和托卡马克柱位形下，射频波（电子回旋波）驱动电流对撕裂模不稳定性的影响，获得了驱动电流抑制撕裂模磁岛非线性发展的主要物理途径及物理参数；此外，在大逆纵横比托卡马克装置上，提出了利用电子回旋波Ohkawa电流驱动机制来有效驱动托卡马克远离轴心（远轴）区域内局域非感应电流的方法，研究了Ohkawa电流驱动控制大逆纵横比托卡马克装置上远轴区域内的一些重要的磁流体不稳定性模（2/1新经典撕裂模）的潜在可能性等。总之，完成了项目的各项研究任务。