有限碰撞效应对电子回旋波离轴电流驱动影响研究

Off-axis electron cyclotron current drive is one of effective method for stabilization of MHD instabilities in tokamaks, but there are still differences between theory and experiment in the region of far away from axis, it remains to be perfected theoretically in this region. This program will carry out off-axis electron cyclotron current drive study which mainly focuses on the region with normalized radius over 0.4 far away from the axis of tokamak plasmas by using plasma kinetic theory and principle of wave plasma interaction. Optimization mechanism for both Boozer-Fisch and Ohkawa drive effects will be investigated from the theory of the electron cyclotron resonance interaction with plasmas. The study of off-axis current drive will be done quantitatively by numerical solving kinetic equation (Fokker-Planck equation) with electron cyclotron wave quasi-linear term. For each optimization mechanism, the method of controlling current size and profile will be explored to determine the optimal driven method. Mathematical physic term of finite collisionality effect will be added to the kinetic equation, the impact of this effect on off-axis electron cyclotron current drive will be studied to interpret the underlying physics. The results have important significance on achieving the required current profile for maintaining high confinement mode, suppressing the MHD instabilities in tokamaks, and further improving the theory of electron cyclotron current drive.

电子回旋波离轴电流驱动是抑制托卡马克磁流体不稳定性的有效方式之一,但在远离轴心区域理论与实验仍存在分歧，需进一步完善电子回旋波离轴电流驱动理论。采用等离子体动理学理论及波与等离子体相互作用原理，在远离轴心归一化半径大于0.4区域内，开展电子回旋波离轴电流驱动研究。从波与托卡马克等离子体相互作用原理出发，研究电子回旋波两种电流驱动效应的优化机制，确定优化每种机制的关键物理参数。求解带电子回旋波准线性项的Fokker-Planck方程，对离轴电流驱动进行定量研究，在每种优化机制下，探索在该区域内控制驱动电流大小和分布的方法，确定最优驱动方法。考虑“有限碰撞”效应，建立该效应的数学物理模型，加入到动理学方程中，研究其对远离轴心电流驱动的影响，并探究其内在的物理本质。开展该课题对实现电子回旋波离轴电流驱动来维持高约束模式所需电流分布，抑制磁流体不稳定性模，完善电子回旋波电流驱动理论具有重要意义。

电子回旋波Ohkawa电流驱动机制对电子回旋波离轴电流驱动有重要影响。本项目从电子回旋波电流驱动的两种机制出发，理论推导出了两种机制电流驱动的计算表达式，研究了离轴电流驱动下Boozer-Fish电流和Ohkawa电流的分离方法， 建立了相应的数学模型，利用该模型研究了单一磁面上两种机制对电流驱动的影响。发现Ohkawa机制也可获得较大的离轴驱动电流；在大逆纵横比托卡马克装置上，我们提出了利用Ohkawa电流驱动机制有效驱动远离轴心（远轴）区域内局域非感应电流的方法。利用该方法，我们分别研究了在HL-2M这一类具有大逆纵横比和在EAST这一类具有小逆纵横比装置上远轴Ohkawa电流驱动。研究发现，在大逆纵横比值装置上，远轴Ohkawa电流驱动非常有效，驱动电流分布非常局域。通过调节电子回旋波发射角，可以有效驱动径向归一化半径在0.62～0.85范围内的局域电流，驱动电流大小为20～32kA/MW。也发现在这一径向范围内，Ohkawa电流驱动的归一化电流驱动效率随径向位置的增大而增大，并在某个径向位置点达到最大（0.18）后减小。其原因是由于在大逆纵横比装置远轴区域存在更大的俘获电子份额，使得Ohkawa电流驱动机制成为主导机制，并远大于Fisch-Boozer电流驱动机制的贡献。而在小逆纵横比EAST类型装置上，也可以实现远轴Ohkawa电流驱动，但俘获电子份额更小，其电流驱动效率要小的多。利用上述获得的结果，我们进一步研究了Ohkawa电流驱动控制大逆纵横比托卡马克装置远轴区域内的一些重要的磁流体不稳定性模的潜在可能性；在不同逆纵横比装置条件下，我们分别比较了电子回旋波两种电流驱动机制在远轴区域内的局域非感应电流驱动能力和抑制该区域内磁流体不稳定性模的能力。我们发现在大逆纵横比装置上，利用OKCD更能有效驱动远轴区域内的电流，且有相比较高的抑制远轴区域内磁流体不稳定性模的能力；通过分析碰撞特性参数的关键因素，我们研究了碰撞效应对远轴Ohkawa电流驱动的影响，发现该效应有利于远轴Ohkawa电流驱动。本项目的研究成果，可在我国大逆纵横比HL-2M装置上开展远轴Ohkawa电流驱动的实验研究，验证本项目的理论研究结果。