采用轴对称外部旋转变换近似的准轴对称 stellarator 中外扭曲模的非线性 MHD 模拟

采用约化磁流体力学（MHD）方程研究具有不同比例外部旋转变换的准轴对称（QA）stellarator 中外扭曲模的非线性动力学。高 beta 等离子体所伴随的大自举电流可能使 QA 位形易受低 n 外部模影响，从而限制其运行空间。这些非线性动力学的剧烈程度，尤其是当这些模导致破裂时，目前尚不清楚。本文模拟了边缘安全因子小于 2 的不稳定 QA 位形中外扭曲模的非线性阶段。在非线性 MHD 代码 JOREK 中构建了该 stellarator 的轴对称近似，以捕捉外部旋转变换的影响。通过将线性动力学与线性黏阻 MHD 代码 CASTOR3D 对比，验证了该近似对此 stellarator 的适用性。将该 stellarator 近似的非线性动力学与等效托卡马克进行比较，以理解相对较小的外部旋转变换的影响。尽管外部旋转变换对 MHD 活动确有稳定作用，其仍表现为剧烈。为探究更大外部旋转变换的一阶影响，人为增大了所考虑 stellarator 的该平衡参数，从而减小有效等离子体电流。对扭曲不稳定性的剧烈程度进行了量化，并显示其随外部旋转变换增大而减弱。与此同时，外部扭曲模触发了内部模，加剧了非线性阶段约束的丧失，使其在大部分参数空间内仍保持剧烈。仅当外部旋转变换占相当比例时，这些后续模才被稳定。