等离子体所在共振磁扰动下高能离子损失模拟研究中取得连续进展

　　近日，EAST大科学工程团队孙有文研究员课题组何开洋博士在共振磁扰动（RMP）下高能离子损失模拟研究中取得新进展，自主开发全轨道模拟程序结果以“Full-orbit simulation of fast ion loss under resonant magnetic perturbations in the EAST tokamak”为题发表在核聚变领域权威期刊Nuclear Fusion【K. He, Y. Sun, B.N. Wan et al 2021 Nucl. Fusion 61 016009】。该结果是继近期发表的“Roles of primary and sideband resonances in the confinement of energetic passing ions under resonant magnetic perturbations”【K. He, Y. Sun, B.N. Wan et al 2020 Nucl. Fusion 60 126027】和“Resonant effects on the loss of energetic trapped ions induced by low-n resonant magnetic perturbations”【K. He, B.N. Wan, Y. Sun et al 2019 Nucl. Fusion 59 126026】后又一新进展。

　　托卡马克中高能离子的充分约束，对现今装置的运行和未来聚变堆的成功都至关重要。RMP作为边界局域模控制的重要手段之一而被广泛使用，但其三维效应可能会威胁高能离子的约束。因此，RMP对高能离子约束的影响近年来受到广泛关注。课题组近年来利用数值模拟的方式研究RMP下高能离子损失，并取得了一系列新进展。

　　基于对损失粒子的相空间分析，模拟结果揭示了共振机制在俘获离子损失中的关键作用（如图1），以及该机制对RMP谱型的依赖性。研究结果不仅显示了线性共振在n=2 RMP下的作用，还表明非线性共振在n=1 RMP中的作用，揭示了不同三维场条件下高能粒子的共振损失机理。

　　基于对粒子相空间漂移岛结构的细致分析，研究首次系统性揭示了边带共振效应在RMP下通行离子约束中的主导作用（如图2）。该结论否定了以往磁拓扑主导通行离子约束的直观理解，明确指出RMP谱型中非共振分量的重要作用。同时，该结论对于预测高比压放电中高能通行离子约束具有重要科学意义。

　　为获取更加真实的模拟结果以及满足未来实验分析的需求，课题组成员自主开发了基于全轨道的Monte-Carlo程序SOFT。该程序通过在托卡马克磁场中求解粒子真实轨道，能够更加真实地还原高能离子的行为（如图3）。目前，程序已经成功应用于RMP下NBI离子损失特性及其物理机制的分析上。

　　以上研究结果对于RMP下快离子损失份额评估、物理机制理解和将来损失优化方案设计具有重要意义。相关研究受到国家重点研发、国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项等项目的资助。

　　论文链接：

　　1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ab3f80 

　　2. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abb422 

　　3. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abbe74 

　　图1: 损失俘获离子的相空间分布(g)以及不同能段的共振条件((a)-(f))

　　图2: 边带共振效应在漂移岛形成中的主导性作用(阴影对应的区间)

　　图3: EAST上高能离子轨道示例