使用 M3D-C1 代码模拟 SPARC 基线情景中的内部喉模态与喉峰崩溃
等离子体物理
2026-04-03 v1 计算物理
摘要
本文基于 SPARC Primary Reference Discharge (PRD) 设计点，构建了一个松弛基线情景，用于首次系统地探讨最不稳定的低 n 级 MHD 不稳定性。仿真采用高保真的三维扩展 MHD 代码 M3D-C1。线性仿真通过扫描电阻率，识别出在 q=1 表面上具有主导性的内部喉模态，其扭向模式数为 n=1。电流轮廓和压力轮廓对基线情景中的喉不稳定性具有显著影响。线性增长率对 keV 级温度轮廓以及接近 1 的轴向 q0 值极其敏感。简化的 1 维本征值求解器显示，其对压力效应的观察具有良好的定性一致性。在 3D 非线性仿真中，边缘不稳定情景很快在 q0 降至 1 以下后发生中等程度的喉峰崩溃，可能是由于本仿真中缺乏加热和能动粒子等稳定作用。当电流驱动和压力驱动同时存在时（即基线情景），可观察到强烈的喉峰现象，其特征为磁力重联事件和压力轮廓呈凹陱状。这可以用 Kadomtsev 模型和 Wesson 模型的混合来解释。实际的喉峰崩溃可能在 q0 接近 1 时即发生，因为不稳定性在此处变化极为敏感。低 β 仿真中显示的喉峰样振荡也为探讨 SPARC 中的周期性喉峰时间尺度提供了机会。本工作为理解在 MHD 不稳定性作用下的粒子和热输运提供了依据，这对于正确评估 SPARC 托卡马克及未来聚变示范站的性能具有重要意义。
引用
@article{arxiv.2604.02172,
title = {Simulations of internal kink modes and sawtooth crashes for SPARC baseline-like scenarios using the M3D-C1 code},
author = {W. H. Wang and C. Clauser and C. Liu and N. Ferraro and R. A. Tinguely},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.02172},
year = {2026}
}