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理解托卡马克中的高能量粒子物理问题对实现未来聚变堆稳态长脉冲运行是非常重要的。在未来的燃烧等离子体中,氘氚聚变反应产生的3.5MeV α粒子是自加热源。此外,未来聚变堆中还存在其它高功率的辅助加热,例如中性束注入加热,射频波加热等,这些辅助加热也会产生大量的高能量粒子。这些高能量粒子在等离子体加热和电流驱动中起着重要的作用。一方面,这些高能量粒子可以通过波-粒子共振相互作用驱动各种各样的不稳定性;另一方面,这些不稳定性还可以导致高能量粒子的径向输运,引起高能量粒子的损失与再分布,降低等离子体的约束性能,甚至破坏第一壁。因此,理解破坏高能量粒子约束导致损失的机制并准确评估高能量粒子损失份额是非常重要的研究课题。高能量粒子激发的不稳定性主要有两种:一种是阿尔芬本征模,例如环向阿尔芬本征模（Toroidal Alfvén Eigenmode,TAE）;另一种是高能量粒子模,例如类鱼骨模（Fishbone-like Mode,FLM）。TAE,尤其是多环向模数的TAE,因为自身具有全局的模结构被认为是未来国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）中导致高能量粒子损失的主要原因之一。在合适的条件下,当多环向模数TAE同时演化出现TAE雪崩时,会极大的提升高能量粒子的输运和损失水平,这对未来托卡马克稳态运行是非常不利的事件。目前,许多托卡马克实验装置,例如National Spherical Torus Experiment（NSTX）,已经观测到TAE雪崩的实验现象,但是其物理机制还不清楚,所以采用真实的实验参数和剖面进行比较自洽的非线性多模模拟是非常必要的。另外,最近在HL-2A上观测到了关于撕裂模与高能量离子共振相互作用激发2/1类鱼骨模的实验现象,为了很好地解释实验中类鱼骨模的激发机制,需要进行相应的大规模数值模拟研究。本论文的主要研究内容如下:第1章,介绍了本论文的研究背景和研究目的,主要总结了环向阿尔芬本征模、环向阿尔芬本征模雪崩和高能量离子与撕裂模相互作用激发类鱼骨模的研究进展,最后提出了本论文的研究内容。第2章,介绍了本论文采用的大规模并行混合数值模拟程序M3D-K,主要包括物理模型和数值计算方法,程序中采用三维扩展磁流体模型和动理学模型分别描述背景等离子体和由中性束注入产生的高能量离子。第3章,利用M3D-K程序自洽地研究了高能量离子驱动的多环向模数TAE不稳定性的非线性演化及其导致的高能量离子损失。为了弄清楚非线性模耦合效应对高能量离子损失的影响,首先进行了单环向模数TAE的模拟,详细分析了 TAE的扫频现象、波-离子共振、损失高能量离子的轨道特征以及高能量离子注入速度对高能量离子损失的影响。研究发现,随着注入速度的增加,高能量离子的损失水平在不断增加,主要是因为较大的注入速度会导致较宽的轨道宽度,导致更强的反常输运和更多的高能量离子损失。单环向模数的TAE导致高能量离子损失的主要机制是模的增长和快速扫频会导致相空间岛的变宽和漂移,一旦漂移出等离子体区,就会发生损失。多环向模数TAE的模拟中,发现高能量离子总损失水平要比所有单环向模数TAE导致的损失水平之和高,并且提高高能量离子的比压值,不仅会大幅度提高多环向模数TAE导致的高能量离子损失水平,还会增大多环向模数TAE与单环向模数TAE导致的高能量离子损失水平之间的差距,其主要原因是,提高高能量离子比压值会提高多环向模数TAE中共振重叠的强度。最后还分析了单环向模数TAE和多环向模数TAE导致的损失高能量离子在相空间E-ΔΛ内的分布特征,发现损失高能量离子主要以捕获高能量离子为主,并且大部分在损失前后都给波贡献了能量。第4章,基于NSTX上141711炮实验发现的TAE雪崩实验现象,选择TAE雪崩爆发之前t=471 ms时刻的实验参数和剖面作为M3D-K程序的输入,自洽地进行了 TAE雪崩相关的多模模拟研究。模拟中分析了 TAE雪崩过程中不同分量之间的模模耦合相互作用和每个分量与高能量离子之间的共振相互作用。研究表明,触发TAE雪崩必须具备的两个重要要素:有效的模耦合和较强的高能量离子驱动。TAE雪崩是一个非线性非常强的物理过程,通常伴随着多个模同时向下快速扫频的现象和大量的高能量离子损失,NSTX装置上也观测到了该实验现象。本章的模拟结果很好地重复了这一实验现象。第5章,基于HL-2A上观测到的高能量离子与撕裂模发生相互作用激发快速扫频的2/1类鱼骨模实验现象,采用M3D-K程序进行了详细的全局非线性磁流体动理学混合模拟研究。研究表明,同向通行高能量离子在波-粒子共振相互作用中起着主导作用,对应的共振关系为ωt+2ωp=ω,这里的ωt,ωp,ω分别表示高能量离子的环向运动频率,极向运动频率和模频率。同向通行高能量离子的非绝热响应对撕裂模有很强的退稳作用,但是同时考虑绝热响应和非绝热响应时,同向通行高能量离子则具有较弱的退稳效果。本章还详细讨论了高能量离子的比压值βh和中心抛射角Λ0对撕裂模与高能量离子共振特征的影响,相关的模拟结果与HL-2A实验相吻合。另外,在多模模拟中,还发现撕裂模与高能量离子共振相互作用激发2/1类鱼骨模的物理过程导致了非常严重的高能量离子再分布和损失,高能量离子损失水平floss和扰动幅值（?）之间满足一次方的定标关系,证明损失以对流损失为主。这些发现可以进一步帮助理解撕裂模通过共振相互作用导致高能量离子损失的物理机制。第6章,对本论文的研究结果进行了归纳总结,并对本论文创新点进行了提炼列举,最后提出了对未来研究工作的展望。