托卡马克中共振磁扰动对高能离子行为影响的模拟研究

The influence of the resonant magnetic perturbation (RMP) on the energetic ion behavior is one of the important frontier questions in the tokamak physics. This project is aimed to numerically study the loss, redistribution and wall load of energetic ions with RMP, which is based on our orbit following code GYCAVA and the previous work of the energetic ion behavior impacted by RMP. Then we can understand intensively the physical mechanism of the energetic ion behavior with RMP. It will provide theoretical basis and numerical tools for the EAST experiments of RMP and energetic ions. And it will provide the support for EAST to be operated in the long-pulse H-mode steady-state operation. First, we will focus on the energetic ions produced by tangential NBI, and study the synergy effect of the finite orbit width and RMP on the loss and redistribution of the passing energetic ions. Next, we will focus on the energetic ions from perpendicular NBI and ICRF, and study the roles of the trapped ion effect and the finite Larmor radius effect. Then, we will compare the vacuum RMP situation with the response RMP situation, and focus on the effect of RMP stochasticity and plasma response on the simulation results. Finally, we will consider the effect of collision, and study the synergy effect of RMP and collision on the stochastic transport.

共振磁扰动（RMP）对高能离子行为的影响是托卡马克中重要的前沿问题之一。本项目主要是基于自主开发的轨道追踪程序GYCAVA以及之前我们关于RMP影响高能离子行为的工作基础上模拟研究RMP对高能离子损失、再分布和第一壁的热负载的影响，从而深入理解RMP影响高能离子的物理机制，为EAST中RMP和高能离子实验提供理论依据和模拟预测，为EAST实现长脉冲高约束模式稳态运行提供支持。首先，我们针对切向注入NBI产生的高能离子，侧重于研究有限轨道宽度效应和RMP对通行高能离子损失和再分布的协同效应。其次，我们将针对垂直注入NBI和ICRF产生的高能离子，主要关注俘获离子效应以及有限拉莫尔半径效应的作用。然后，我们将比较真空RMP和响应RMP两种情形，主要关注RMP随机程度和等离子体响应对模拟结果的影响。最后，我们将考虑碰撞效应的影响，研究RMP和碰撞共同作用下随机输运的物理机制。

共振磁扰动对高能离子行为的影响是托卡马克中重要的前沿问题之一。我们对轨道追踪程序GYCAVA进行了许多升级，建立了高能离子损失模拟的工作流，从而为研究托卡马克中电磁扰动对高能离子损失和热负荷等的影响提供模拟工具。我们模拟研究了共振磁扰动和磁漂移对通行高能、热离子损失和再分布的影响。边缘附近的高能离子再分布是由于共振磁扰动和磁漂移引起的损失造成的。我们模拟研究了EAST上RMP幅度、相位以及等离子体响应效应等对高能离子损失和热负荷的影响。存在RMP时中性束高能离子损失主要是与共振磁扰动引起的轨道随机相关。我们模拟研究了有限拉莫尔半径效应和有限轨道宽度/磁漂移效应对高能离子损失和热负荷等的影响。第一壁附近的有限拉莫尔半径效应会增大中平面附近的快离子损失份额。对于我们采用的RMP参数，轨道的有效拉莫尔半径效应不重要。我们还研究了库仑碰撞效应对高能离子损失的影响。共振磁扰动和碰撞引起的pitch角散射的协同效应会增强高能离子的粒子损失份额。关于高能离子行为的模拟结果有助于我们更深入地理解共振磁扰动影响高能离子损失的物理机制，并为未来EAST高能离子实验提供模拟支持。