托卡马克等离子体中无碰撞捕获电子模湍流非线性饱和机制的理论研究

Collisionless trapped-electron mode (CTEM) turbulence is generally believed to play important roles in the anomalous transport of tokamak fusion plasmas. The theoretical understanding of the fundamental physics underlying the nonlinear saturation of CTEM turbulence remains a challenging open issue. In this program, we plan to analyze the nonlinear saturation mechanisms of CTEMs in realistic toroidal geometries. Three paradigms illustrating the nonlinear saturation processes will be demonstrated based on first-principle physics models derived from the nonlinear gyrokinetic theory, including the nonlinear toroidal mode couplings, the excitation of low-frequency zonal flow and the nonlinear orbit diffusion effect. Our anticipated results should not only provide a theoretical framework for the in-depth understanding of the current experimental and numerical observations, but also be of practical interest to the microscopic turbulence physics in future burning plasma experiments.

无碰撞捕获电子模（CTEM）湍流是托卡马克等离子体中反常输运现象的主要诱因之一。如何在理论上准确理解其非线性饱和过程背后的物理机制尚且是一个充满挑战的开放问题。本项目旨在多年前期工作的基础上，利用第一性原理非线性回旋动理学，在环几何位形下对无碰撞捕获电子模湍流的非线性饱和过程展开理论研究。其中，我们主要考虑三类饱和机制，亦即非线性共振与非共振环向模耦合过程，CTEM激发低频带状流结构，以及非线性粒子轨道扩散效应。预计此项目的理论结果不仅可用于解释当前的实验观测与数值模拟结果，亦可为理解与控制未来大型托卡马克聚变装置中的微观湍流提供理论支持。

在ITER和未来的托卡马克聚变堆中以电子加热为主，因此研究电子湍流对优化等离子体约束性能至关重要，是磁约束聚变研究中亟待解决的重点和难点问题。无碰撞捕获电子模（CTEM）湍流是托卡马克等离子体中反常电子能量输运现象的主要原因之一。本项目围绕利用第一性原理回旋动理学研究CTEM湍流的非线性饱和过程而开展，取得的主要进展与成果包括：1. 解释了捕获电子模与带状流非线性相互作用的物理机制：1）首次发现捕获电子模与带状流的非线性相互作用过程同构于传统离子温度梯度模（ITG）与带状流的相互作用，捕获电子只能影响CTEM的线性特征；2）证明带状流激发不是短波捕获电子模的非线性饱和通道；3）发现存在两类短波捕获电子模，为前人模拟观测中相互矛盾的结果提供了理论解释。2. 提出了一种新型回旋动理学数值模型：1）直接基于电磁场E与B, 建立了适用于多尺度、长时间模拟的非扰动展开非线性回旋动理学方程；2）基于新回旋动理学方程，提出一种新数值模拟方案（被称为GK-E&B），此模型没有传统粒子模拟中的安培定律计算困难问题，并据此开发了GK-E&B代码。3. 提出了一种求解非线性本征值问题的新算法，并将其应用在等离子体物理中。本项目的完成有利于我们更加深入地理解捕获电子模的非线性演化过程，为将来燃烧等离子体中的电子湍流对等离子体约束性能的影响提供理论参考，同时也进一步发展我们拥有自主知识产权的新型回旋动理学代码GK-E&B也将为托卡马克多尺度湍流物理的研究提供良好平台。

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