Machine-scale instabilities in fusion devices are commonly described using magnetohydrodynamics (MHD), however kinetic effects can significantly affect MHD instabilities through kinetic compression and wave-particle interaction. We propose a new code that solves the drift-kinetic-MHD equations using a spectral method, formulated using a Case–Van Kampen approach (Van Kampen (1955 Physica21 949)). The eigenvectors of the standardised eigenvalue problem are composed of the perpendicular MHD-like displacement, a potential that describes the parallel electric field, as well as the kinetic correction to the perturbed distribution function. The new code, which can solve for generalised kinetic equilibria in axisymmetric toroidal geometry, is benchmarked favourably against exact analytic solutions for kinetic-MHD in a cylindrical screw pinch. In this configuration, kinetic effects are driven by the particles in the long free path limit subject to angular drifts associated with the radial curvature of the configuration. The kinetic effect of highly energetic particles is shown to be stabilising via exact cancellation of ideal MHD interchange (Suydam), while for moderately energetic particles, their effective guiding centre velocity resonates with the wave frequency, causing novel kinetic instabilities in the cylinder.
核融合装置における装置規模の不安定性は通常、磁気流体力学(MHD)を用いて記述されるが、運動論的効果は運動論的圧縮と波動-粒子相互作用を通じてMHD不安定性に有意に影響し得る。我々は、Case–Van Kampenアプローチ(Van Kampen (1955 Physica21 949))を用いて定式化されたスペクトル法により、ドリフト運動論的MHD方程式を解く新しいコードを提案する。標準化された固有値問題の固有ベクトルは、垂直なMHD的変位、平行電場を記述するポテンシャル、および摂動分布関数への運動論的補正から構成される。軸対称トロイダル形状における一般化された運動論的平衡を解くことができるこの新しいコードは、円筒スクリューピンチにおける運動論的MHDの正確な解析解と良好に照合される。この配位では、運動論的効果は、配位の動径曲率に関連する角方向ドリフトを受ける長い自由行程極限の粒子によって駆動される。高エネルギー粒子の運動論的効果は、理想MHD交換(スイダム)の完全な相殺によって安定化することが示される一方、中程度のエネルギー粒子では、それらの有効なガイドセンター速度が波動周波数と共鳴し、円筒内に新規の運動論的不安定性を引き起こす。