高能量粒子在托卡马克中的能量沉积及输运的模拟研究

To realize the controlled nuclear fusion, we have to keep the Self burning of the plasma by the deuterium tritium fusion reaction. In other words, the Self heating of plasmas in core is realized by the energetic alpha particles produced in the deuterium tritium fusion reaction. The confinement of this energetic particle and how to transfer their energy and momentum to the plasmas will directly impact on fusion gain and the efficiency of fusion reaction, so that the energetic particle physics is very important for fusion plasmas. Because this kinds of energetic alpha particle cannot be test by experiment before ITER project is finished, the simulation will be very important. However, the fusion reaction cannot be included in the main codes used. This project will develop a hybrid magnetohydrodynamic and kinetic simulation code with the deuterium tritium fusion reaction, to simulate the energy deposition and transport of energetic energy particles. It is expected to provide help for the plan of the physical experimental scheme to be carried out after the completion of ITER and the design of CFETR.

要实现可控核聚变就需要通过氘-氚聚变反应实现等离子体的自持燃烧，即通过氘-氚聚变反应过程中产生的大量能量为3.5MeV的alpha 粒子，来实现芯部等离子体的自加热。高能量的带电聚变产物能否有效地约束，并将能量或动量转换成背景等离子体的能量或动量将直接影响聚变增益，影响聚变反应的效率，是能否自持燃烧的关键。在ITER投入使用之前，没法进行高能量α粒子直接关实验研究，因此高能量粒子相关数值模拟研究就显得特别重要，但现有的主流程序都没有包含聚变反应过程，本项目希望填补这个空白，在本单位开发的磁流体与动理学混合模拟程序CLT-k的基础上，开发包含氘氚聚变反应过程的磁流体与动理学混合模拟程序，开展高能量粒子能量沉积与输运等模拟研究，期望为在ITER建成后将要开展的物理实验提出原理设计和 CFETR的设计提供帮助。

核聚变反应率依赖于反应粒子种类、粒子数密度和质心系的能量；不同种类的核聚变反应截面相差巨大，典型的核聚变反应包含氘-氚聚变反应，氘-氘聚变反应和氢-硼聚变反应等等，由于现有实验装置不能进行氘氚聚变反应，暂时做不到直接的实验验证，为了解决这个问题，我们在构建包含核聚变反应过程的动理学模型中，考虑了多种聚变反应物的通用性，开发的程序既适用于热核聚变反应，也适用于束-靶聚变核反应；重点开展了氢硼聚变反应的大规模数值模拟，以校验模型和程序的正确性。.主要进展包括如下三方面: 构建了适应于多种核聚变反应物及状态的动理学模型；合作开发了包含核聚变反应的程序模块，以及求解 Wigner-Poisson 系统的 C++并行程序；并通过多种途径得到了正确性和有效性的校验；利用M3DK程序模拟解释了韩国KSTAR装置上以中性束为主要辅助加热手段时通行粒子激发的低频鱼骨模及扫频现象。按计划完成了预定研究任务，并取得重要进展。