带轨道角动量的射频波在磁约束聚变能研究中的应用

This proposal aims to the key application of Radio-frequency (RF) waves with Orbital Angular Momentum (OAM) in Tokamak research and the exploration of new non-plane RF wave physics in plasma theory. The OAM RF wave has some unique properties which are different from plan RF wave. It has been widely studied and applied in many sub fields of physics. We will carry out the fundamental studies on the interaction between OAM RF waves with plasmas using analytical and numerical methods. We focus on the coupling efficiency, rules of energy and momentum deposition, current drive efficiency, toroidal current drive, α channeling effect of OAM RF waves in Tokamak plasmas, and some other key problems for fusion energy. Meanwhile, we utilize advanced geometric algorithms and large-scale simulations to study the improvement of experimental schemes related to RF waves. Given the type, mode number, frequency, polarization, and other parameters of OAM waves, the corresponding OAM antenna will be designed using simulation codes. This project will push forward the effective application of OAM RF waves in magnetized confinement fusion energy research.

本项目计划探索带轨道角动量的射频波（OAM）在托卡马克装置中的关键应用，开辟新的基于非平面波束的射频波等离子体物理理论与应用方向。OAM电磁波具有许多和平面电磁波截然不同的特性，近20年来在物理学多个领域被广泛研究和应用。本项目通过解析理论与数值模拟相结合的手段开展针对带轨道角动量的射频波与磁化等离子体相互作用的基础物理过程研究。着重研究在托卡马克等离子体中，OAM射频波与等离子体耦合效率、OAM射频波能量与动量沉积规律、OAM射频波电流驱动效率、OAM射频波驱动环向流与α 排灰等与聚变能研究密切相关的关键问题。同时，针对上述各问题，利用先进几何算法与大规模数值模拟手段研究如如何选择优化托卡马克装置中射频波相关实验方案。在确定OAM射频波模式、模数、频率和极化性质等具体参数后，利用模拟程序设计相应的OAM射频波天线方案。本项目的实施将推动OAM射频波技术在磁约束聚变研究中的推广和有效应用。

本项目按计划探索了带轨道角动量的射频波(OAM)在磁化等离子体中的多种性质，为OAM射频波托卡马克装置中的应用打下了基础。探索了新的基于非平面波束的射频波等离子体物理理论与应用的方向。OAM电磁波具有许多和平面电磁波截 然不同的特性，但其显著性质之一是具有三维空间结构且与磁化等离子体相互作用机制复杂。我们通过解析理论与数值模拟相结合的手段开展了针对带轨道角动量的射频波与磁化等离子体相互作用的一系列基础物理过程研究 。对于各向异性的磁化等离子体中OAM波进行了理论研究。同时，针对更加复杂的物理问题，有针对性的设计了相应的几何方法与酸饭，并利用先进几何算法与大规模数值模拟手段对OAM射频波进行了研究。在给定OAM射频波模式、模数、频率（定为2GHz）和极化性质等具体参数，我们采用模拟程序设计了相应的OAM射频波天线方案。本项目为推动OAM射频波技术在磁约束聚变研究中的推广和有效应用奠定了基础。