MHD诱发高能离子损失机制和NBI束离子约束热化实验研究

The confinement and loss of energetic ions is very important for maintaining the high-confinement performance of the plasma and ensuring the safe operation of the device, which is one of the most important problems to be solved in ITER. In the past ten years, with the development of the fast-ion loss probe system, great progress has been obtained in the field of energetic ion confinement and loss experiments. But there are still many problems need to be further studied, such as: the interaction of energetic ion and MHD, the physical mechanism of energetic ion loss induced by MHD, changes in the energy and pitch angle of the lost energetic ions, the confinement and thermalization of NBI beam ions, and so on. The profound understanding of the mechanism of the energetic ion losses and the NBI beam ion physics can help establish the strategies to improve and control the losses of energetic ions. In this project, we will further carry out the experimental studies of the losses of energetic ions and the confinement & thermalization of NBI beam ions in the HL-2A tokamak. The HL-2A device is equipped with a variety of high-power plasma auxiliary heating systems and rich diagnostic systems, especially the recent development of several sets of energetic particle diagnostic systems, which provides a solid platform for the implementation of this project. In addition, the experimental results will be compared with the simulations performed by the high-energy particle codes. These studies will have important physical implication for ITER.

高能离子的约束和损失对于维持等离子体的高约束性能和装置的安全稳定运行至关重要，是ITER亟待解决的重大问题之一。近十几年来，随着高能离子诊断系统在聚变装置上的相继发展和完善，国际上在高能离子约束与损失实验研究中取得了很大的进展。但是还很多问题仍需深入研究，例如：高能离子与MHD的相互作用，MHD诱发高能离子损失的物理机制，MHD导致损失高能离子的能量与俯仰角（Pitch angle）的变化，NBI束离子的约束、热化与输运等。深入理解高能离子损失机制和NBI束离子物理有助于建立控制高能离子损失的方法。本项目将依托HL-2A装置对高能离子损失和NBI束离子约束热化进行系统研究，并深入探索有效的控制手段。HL-2A装置配备有多种高功率辅助加热系统和丰富的诊断系统，特别是新发展了多套高能粒子诊断系统，为本项目研究的开展提供了坚实的平台。同时，该项目将利用高能粒子理论模型与实验结果进行对比研究。

对于目前和未来的核聚变装置，高能离子的约束和损失对于维持等离子体的高约束性能和安全稳定运行至关重要。当等离子体内的高能离子（α粒子）大量损失时，聚变堆的自维持运行将不可避免地被终止。而且，高通量的高能离子损失所造成的局域热负荷过载将导致装置第一壁材料的严重损伤，从而影响装置的安全运行和使用寿命。目前等离子体内的高能离子主要源自中性束注入（NBI）和离子回旋共振加热（ICRH），高能离子的大量损失将极大地降低NBI和ICRH的加热效率。近十年来，随着快离子损失探针系统在不同装置上的相继研制发展，国际上一些装置已经开展了高能粒子约束与损失的实验研究，并取得了丰富的实验结果。然而很多问题还没有完全解决，仍需深入研究。HL-2A装置配备有多种高功率辅助加热系统和丰富的诊断系统，特别是新发展了多套高能粒子诊断系统。本项目依托HL-2A装置，开展的主要研究内容包括：（1）NBI束离子在等离子体内的约束、热化和输运；（2）多种MHD诱发高能离子损失的物理机制；（3）HL-2M装置NBI束离子模拟研究和高能离子诊断系统设计与研制。项目取得的主要成果有：（1）在HL-2A装置利用NBI短脉冲获得束离子在等离子体内的热化和约束；（2）利用快离子损失探针，对多种MHD诱发高能离子损失进行了深入研究，不同MHD导致损失高能离子的能量与俯仰角（pitch angle）的变化；（3）对HL-2M装置NBI束离子和T燃耗比进行了模拟研究，为HL-2M装置研制了一套快离子损失诊断系统，并设计一套法拉第筒系统，为HL-2M装置开展高能离子实验研究奠定了基础。这些研究对于未来大型托卡马克装置（如ITER）具有重要的物理意义。