低频旋转磁岛对快离子输运影响的研究

Fast ion losses, which induced by low frequency rotating magnetic islands, have been observed in some tokmak experiments. The period of loss particles locks phase with the island rotation. In a very short time of transport process, the fast ions have been slowed down and significant losses occur only in some pitch angle regions. The present theories is not yet clear for the mechanism that responsible for this phenomenon. In this project we will investigate the effects of low frequency rotating magnetic island on the fast ion transport. Firstly, we study the drift island structure in phase space which produced by the resonances between fast ions and rotating islands. The transport path is obtain by solving the coupling equation of drift island surfaces and island magnetic flux surfaces. The formula of radial motions that the fast ions go across the drift island surfaces due to the collisions with background plasma are derived. Then, we solve the drift kinetic equation and calculate the fast ion transport fluxes. The energy and pitch angle distribution near the plasma boundary are thus obtained at the same time. At last, we analyze the results of trapped and passing fast ions, respectively, so as to explain the experimental observations, qualitatively, and find the physics mechanisms of the slowing down process and the multiple pitch angle regions.

在一些托卡马克实验中观测到低频旋转磁岛诱发快离子损失的实验现象，损失粒子的周期与岛旋转锁相，快离子在很短的时间内发生了慢化，并且只在某些投掷角（pitch angle）区间发生显著的慢化损失。对于产生该实验现象的物理机制，现有的理论还不是很清楚。本项目拟研究低频旋转磁岛对快离子输运的影响。首先，研究快离子与旋转磁岛共振形成的相空间漂移岛结构，求解漂移岛面与岛磁通量面耦合的交叠方程，确定快离子输运的路径，推导出快离子由于与背景等离子体碰撞而穿过漂移岛面的径向运动表达式；然后求解漂移动力学方程，计算快离子输运通量，获得快离子在等离子体边缘处的能量和投掷角分布。对捕获和通行快离子的计算结果分别进行分析讨论，定性的解释实验，获得快离子慢化和投掷角差异性的物理机制。

托卡马克等离子体中高能量离子的输运问题是核聚变研究中一个非常重要的研究课题。本课题开展了以下研究：1）理论和模拟研究了旋转磁岛诱发的快离子输运，2）等离子体环向转动对双撕裂模影响的研究，3）离子回旋波快波电流驱动，4）存在磁岛情况下的Alfven本征模的激发与阻尼研究，5）仿星器物理与工程的调查研究。其中，低频磁岛诱发的快离子输运是本课题研究的重点。主要研究了通行快离子与旋转磁岛共振形成的漂移岛结构，确定了快离子输运的路径，分析了碰撞效应和岛交叠效应产生的快离子径向运动，理论上定性地解释了ASDEX Upgrade装置上通行快离子损失的投掷角（pitch angle）选择性和迅速慢化的实验现象。研究发现漂移岛面在等离子体边界处会存在一个投掷角空隙，在空隙两边会表现出明显的非局域效应。对投掷角空隙进一步分析发现了快离子损失的投掷角选择性特征。通行快离子方向与磁场方向相反的时，产生的损失快离子的投掷角会与同向传播损失的快离子的投掷角互为补角的关系。数值模拟了托卡马克中的局域场对快离子输运的影响，以及聚变堆中有磁扰动和无磁扰动时的高能alpha粒子损失，通过分析影响高能粒子径向输运和损失的因素，得到高能粒子的初始位置、投掷角、磁扰动幅度与位置均对高能粒子损失有一定的影响，并且采用ITER参数进一步分析得到磁扰动会对某些能量段的高能粒子产生显著的输运损失。采用蒙特卡罗方法自主开发了NBI应用程序，选取ASDEX Upgrade托卡马克上的参数，模拟计算出NBI粒子被离子化的初始三维空间位置，并统计得出初始快离子的径向分布、极向角分布、环向角分布和投掷角分布，计算结果与国际上NBI相关代码结果一致。本课题还开展了等离子体环向转动对双撕裂模影响的研究，增加等离子体环向转动速度与速度剪切能显著压制双撕裂模的增长。本课题取得的研究成果对于当前ITER和CFETR开展快离子物理研究具有重要意义。