强磁化等离子体动理学方程的研究

    能源问题是人类社会可持续发展必须解决的基本课题。受控热核聚变是人类最终解决能源的重要途径之一。经过半个世纪的不懈努力，托卡马克位形下的磁约束受控热核聚变研究取得了重大进展。物理所软物质物理重点实验室聚变等离子体物理研究组通过理论和数值模拟研究的有机结合，在快粒子物理、等离子体波和不稳定性、等离子体的约束和输运方面开展了一系列的研究。

   软物质实验室张文禄研究员带领国际最强研究团队，在世界上率先发展（自主知识产权）集成模拟软件VirtEx和建模软件SimPla，系统开展相关大规模数值模拟研究，使我国alpha粒子物理研究达到国际领先水平。

   强磁场是改善托卡马克等离子体约束性能的重要手段，建立描述强磁场等离子体演化的全磁化动力学方程是相关研究的基础。采用坐标变换和Fokker- Planck（FP）方法，我们推导了全磁化动理学方程（Phys. Plasmas 23,082105(2016)）；在此基础上，我们分别采用二体碰撞理论和波理论计算了磁化FP系数，从而较全面的将静态屏蔽、粒子快速运动的动力学极化效应、磁场效应和集体相互作用等因素考虑进来，成功导出了全磁化的Landau方程和Balescu-Lenard-Guernsey方程（Phys. Plasmas 24,122120 (2017)）；接着，我们研究了强磁场情况下同类粒子之间碰撞平行速度发生交换的反射过程，并采用二体碰撞理论计算了粒子平行速度摩擦与扩散、及相应的碰撞项。相关研究获得了《国家磁约束聚变能发展研究专项》的支持。

   射频波是磁约束聚变等离子体物理中辅助加热和电流驱动的重要途径。通过对电子采用回旋动理学方程描述、对离子采用弗拉索夫方程描述，我们构建了一个可以研究环几何位型下离子回旋频段波和低混杂波相关问题的模拟模型（Nucl. Fusion 57, 126011(2017)，Phys. Plasmas24, 112114(2017)）；在此基础上，我们开发了一套回旋动理学/全动理学模拟代码，用于研究射频波在高密度等离子体中的传播问题，目前程序已经编写完毕，并进行了一系列的单元测试和集成测试已验证程序的可靠性（Nucl. Fusion 58, 016024(2018)）。

   利用大型数值模拟程序GTC以及本研究组自主开发的大规模数值模拟程序VirtEx，我们开展了等离子体波与不稳定性方面的大量研究：利用GTC模拟程序，我们研究了线性和非线性阶段的比压阿尔芬本征模，首次通过模拟手段观测到了快电子激发的阿尔芬本征模，以及比压阿尔芬本征模和比压阿尔芬声模的共存现象等（Phys. Plasmas 24, 092516(2017)）；利用VirtEx，我们研究了线性阶段的电阻撕裂模（Phys. Plasmas 24, 102125(2017)），从而验证了VirtEx的可靠性。