托卡马克中宏观不稳定性以及等离子体响应对快离子再分布的影响

Neutral beam injection (NBI) is one of the important auxiliary heating method for the magnetic confined fusion device. The fast ions generated by NBI have significant effect on the macro-instabilities in tokamak and determine the operation parameter region of tokamak. Hence, it is important to understand the fast ion dynamics in tokamak plasma.The perturbed field generated by the instability and plasma response can strongly induce the fast ion redistribution and loss. However, in past decades, the study of the fast ion redistribution is mainly carried out experimently. Less attention was paid to the simulation of fast ion redistribution induced by perturbed field. This research program focuses on the study of the effect of macroscopic instabilities and plasma response on the fast ion redistribution in toroidal plasma, based on the code MARS-F\K and the following particle orbit code ,such as ORBIT，SPIRAL. Here, we will consider the kinetic correction on the mode structure by the particle kinetic effect in the instabilty computation and consider the thermal particle kinetic effect in plasma response calcultion. The obtained results are expected to support the experiment observations on HL-2A/M and EAST. It is possible that the obtained results will supply the suggestions for optimization of the NBI system.

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置上至关重要的辅助加热手段之一,其产生的快离子显著影响宏观不稳定性以及等离子体运行参数，所以理解快离子的动力学行为非常重要。磁流体不稳定性以及等离子体响应产生的扰动磁场可以引起快离子的再分布和损失，而相关研究主要集中在实验方面，相关的理论和数值模拟研究较少。本课题拟基于磁流体不稳定性模拟程序包MARS-F\K以及粒子轨道模拟程序（如ORBIT,SPIRAL），数值模拟研究环形等离子体中宏观不稳定性以及三维扰动场对快离子再分布的影响,这里宏观不稳定性主要是指考虑了粒子动理学效应的鱼骨模和电阻壁模式，三维扰动场是指考虑了热粒子动理学效应的等离子体响应产生的扰动场。相关的研究成果可为国内聚变装置 HL-2A/2M,EAST上的快离子物理实验提供物理支持以及优化辅助加热系统。

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置上至关重要的辅助加热手段之一,其产生的快离子显著影响宏观不稳定性以及等离子体运行参数，理解三维扰动场对快离子再分布和损失的物理机制，对提升快离子约束水平和等离子体参数具有重要意义。在本项目的资助下，我们课题组主要应用MARS程序包结合ORBIT程序，按照计划，结合HL-2A、HL-2M和ITER的位形，研究了内扭曲模、鱼骨模、电阻壁模、外加三维扰动场等多种形式的扰动场对中性束快离子的再分布和损失进行了系统的研究。在以下几个方面取得了一些进展。..1) 基于HL-2A的放电位形和NUBEAM仿真得到的初始分布函数，研究发现：在芯部区域，不稳定性的频率对快离子再分布具有重要的影响，模式的频率f为15 kHz时可引起磁轴附近快离子密度降低20%左右，远大于f=0 kHz时芯部快离子粒子数密度的变化幅度~10%。考虑模式的频率后，快离子损失率大约增加1%左右达到6.5%。这将为解释HL-2A装置上快离子输运和损失的现象，并进一步提升快离子约束性能提供物理支持。..2）基于HL-2A装置的放电情况，模拟研究了外扭曲模不稳定性对快离子输运和损失的影响，研究发现：当模式的幅度较小时（扰动量/平衡量<1%）对流效应是引起快离子输运的主要机制；当扰动幅度较大时扩散效应成为主导机制。HL-2A装置上外扭曲模对能量为 10 keV左右的通行快离子的输运过程具有非常显著的影响。相关模拟结果还需要进一步与实验结果进行对比。..3）应用MARS-F和REORBIT，研究了ITER装置Q~10的高聚变增益位形中内扭曲模不稳定性对快离子输运的影响。研究发现，ITER装置上内扭曲模引起的NBI快离子的损失率<0.1%, 这可能是由于ITER装置尺寸大，内扭曲模更明显的影响是体现在对快离子在芯部区域再分布的影响。在相对扰动幅度~1%时，芯部NBI快离子密度的相对变化率最大约为5%。这为未来ITER装置上评估快离子的输运水平提供一定的物理依据。..4）利用MARS-F和REORBIT研究了HL-2M装置上，RMP三维扰动场对快离子输运的影响。研究发现:快离子的再分布对RMP线圈电流的相位有显著的依赖关系。并给出了不同模数的RMP情况下，快离子输运水平与RMP电流的定量依赖关系，为HL-2M装置实现RMP控制边缘不稳定性，同时兼顾快离子的约束提供定量支持。