稳态高功率加热下托卡马克磁场波纹损失的数值模拟研究

在托卡马克中，热核等离子体的磁约束必须通过有限数目的环向磁场线圈来实现，这就产生了波纹环向磁场结构和由其引起的捕获高能粒子轨道的形变，从而造成高能粒子的快速损失通道- - 磁场波纹损失。磁场波纹会引起中性束注入的高能粒子损失，从而损坏等离子体行为，在聚变堆中它将使大量高能粒子在未被热化前损失掉，从而降低高能粒子加热效率，并且由于波纹损失的局域性很强，有可能形成严重的聚变堆第一壁的局部损伤。本课题利用经典导心轨道程序ORBIT计算快离子的导心轨道，并结合等离子体平衡程序EFIT和输运程序TRANSP，对EAST高功率加热条件下的高能粒子波纹损失，特别是强流稳态中性束注入后的高能粒子波纹损失做数值模拟研究。项目的实施有助于提高国内大功率中性束注入的加热效率，对EAST装置开展高参数先进运行模式实验研究有重要意义。

托卡马克中热核等离子体的磁约束必须通过有限数目的环向磁场线圈来实现，这就产生了环向磁场波纹结构和由其引起的高能捕获粒子轨道形变，从而造成高能粒子的快速损失通道——波纹损失。在现有的托卡马克装置中，波纹损失是一个必须要考虑的问题，因为它将使大量高能粒子在未被慢化前损失掉，从而降低加热效率和能量约束时间，同时由于损失的高能粒子局域性很强，对托卡马克第一壁的轰击会造成较为严重的第一壁损伤。.项目以ORBIT、EFIT、TRANSP等程序的数值模拟研究为主要研究手段，结合EAST装置实验数据分析，开展了高功率加热下托卡马克高能粒子的波纹损失研究，重点研究强流稳态中性束注入后的快离子波纹损失机理（损失份额、损失位置、螺距角分布，局部热负荷沉积等），研究结果表明，对于典型的EAST放电实验，中性束注入产生的快离子在二分之一能量慢化时间内的损失份额相对较小，但是对于低电流放电实验，高的安全因子（q）值使得波纹随机扩散自由区域变小，从而导致了显著增加的快离子损失份额；与反向注入加热相比，在同向注入的条件下更多的快离子沉积在等离子体芯部区域，同时其损失的快离子携带更少的能量，因此对EAST装置来说同向的中性束注入能得到更高的等离子体加热效率以及更好的加热效果；无论在同向注入还是反向注入条件下，磁场波纹和碰撞的协同效应显著的增大损失份额；局域性的波纹损失对第一壁的热负荷沉积在其可承受的功率阈值内，但引起的杂质和其他对等离子体的负面影响还有待于深入研究。.在项目的支持下建立了一个较完备的计算高能粒子波纹损失的数值模拟程序系统，可以对中性束注入、离子回旋波共振加热、聚变阿尔法粒子加热产生的高能粒子波纹损失进行数值模拟研究。项目的顺利实施有助于降低EAST中性束注入的能量损失，提高等离子体辅助加热效率，对 EAST 装置开展高参数先进运行模式实验研究有重要意义。