大学生创新创业训练计划管理系统
2025年度大学生创新创业训练计划
聚变等离子体中阿尔芬本征模激发的数值模拟研究
创新训练项目
理学
物理学类
一年半期
物理学院
虞立敏
指导教师
[1] 国家自然科学基金面上项目(11875131)，托卡马克等离子体中高能粒子的动理学建模及其在宏观不稳定性实验上的应用，2019.01-2022.12，主持，66万元，结题。
[2] 国家磁约束聚变能发展研究专项子课题(2019YFE03050001)，开发可模拟聚变等离子体中 alpha 粒子驱动阿尔芬本征模和 alpha 粒子输运过程的混合数值模拟程序，2020.12-2025.12，参与(排名2)，课题经费95万，个人40万元，在研。
[3] 国家自然科学基金青年项目(11205060)，托卡马克中低频阿尔芬波动理学效应的研究，2013.01-2015.12，主持，30万，结题。
[4] 国家磁约束聚变能发展研究专项子课(2015GB110005)，不稳定性模式激发与快粒子输运的模拟，2015.01-2019.12，参与(排名2)，课题经费94万，个人40万元，结题。
[5] 国家自然科学基金面上项目(11675053)，托卡马克装置等离子体芯部捕获电子模(TEM)的模拟研究，2017.01-2020.12，参与(排名3)，课题经费60万，个人20万，结题。
[6] 国家磁约束聚变能发展研究专项子课(2013GB106002), 芯部输运特征和改善约束机制研究，2013.01-2017.12，参与(排名3)，课题经费295万，个人80万，结题。
对模型的建立和推导，程序的编写和调试提供方法的指导。定期的进度检查和反馈，确保项目按计划进行，并在遇到难题时提供解决方案。同时提供足够的计算资源。鼓励探索新的研究领域，激发创新思维。
在磁约束核聚变装置中，等离子体的稳定性是实现高效聚变反应的关键。阿尔芬波是等离子体中的一种低频电磁波，其在磁场中的传播特性对等离子体行为有重要影响。阿尔芬本征模（Alfvén Eigenmodes, AEs）是阿尔芬波在特定边界条件下的驻波形式，它们在等离子体不稳定性分析和控制方面扮演着关键角色。磁约束聚变装置托卡马克产生的高能量粒子能激发大量阿尔芬本征模。该模能引起高能量粒子再分布和大量损失，对等离子器壁产生损伤以及降低加热效率。同时对背景等离子体产生新的输运通道。聚变等离子体中，多种组分的高能量粒子被产生。因此，深入探究阿尔芬本征模被高能量粒子激发的机制，对于优化磁约束聚变装置的设计和运行具有重要意义。
二、研究目标
本研究旨在通过数值模拟的方法，系统地研究聚变等离子体中AE的激发机制及其对等离子体稳定性的影响。具体目标包括：
开发适用于聚变等离子体环境多组分高能量粒子的数值模拟模型。
分析不同参数（等离子体密度、温度、安全因子、高能量粒子的组分等）对AE激发特性的影响。
提出基于AE控制的等离子体稳定性优化策略。
三、研究方法
数值模拟模型构建：采用磁流体力学（MHD）方程结合理想磁流体（MHD）模型，构建适用于描述聚变等离子体中AE行为的数值模拟框架。该框架将考虑磁场的非均匀性、等离子体的各向异性以及边界条件的影响。
AE激发机制研究：通过数值模拟，分析不同外部驱动（如中性束注入、射频波加热等）下AE的激发过程，探讨AE与等离子体微观不稳定性的关系。
参数敏感性分析：改变磁场强度、等离子体密度、温度等参数，观察AE激发特性的变化，以识别影响AE激发的关键因素。
稳定性优化策略：基于AE控制的数值模拟结果，提出改善等离子体稳定性的具体措施，如调整磁场配置、优化加热方案等。
四、预期成果
建立一套多种高能量粒子组分的数值模拟模型，能够准确预测聚变等离子体中AE的激发行为。
揭示AE在不同条件下的激发机制及其对等离子体稳定性的影响规律。
提出一系列基于AE控制的等离子体稳定性优化策略，为磁约束核聚变装置的设计和运行提供理论指导。
五、研究计划与时间安排
本研究预计分为四个阶段进行：
第一阶段（1-6个月）：完成数值模拟模型的构建和初步验证。
第二阶段（7-12个月）：进行AE激发机制的详细研究，包括外部驱动的影响分析。
第三阶段（13-18个月）：总结研究成果，提出稳定性优化策略，并撰写研究报告和论文。
六、结论
聚变等离子体中AE的激发及其对等离子体稳定性的影响是一个复杂而重要的研究领域。通过本研究的数值模拟工作，我们期望能够深入理解AE的物理机制，为磁约束核聚变技术的发展提供有力的理论支持和实践指导。