先进紧凑型磁镜系统中高能粒子约束特性研究

The confinement of the energetic particles and the kinetic instabilities of the plasma in the advanced compact magnetic mirror fusion system will be studied in the present program. Firstly, the orbitals of the single energetic particle will be simulated by comparision through two different ways, namely the equations of motion of the particles and the Canonical Hamilton equations. Then the confinement characters of the single energetic particle will be evaluated. Further, the collision effect of the real system will be considered by solving the Vlasov equation and the Poisson’s equation by the numerical methods, the orbitals of the energetic particles will be simulated throught the equations of motion, and the confinement characters of the machine will be evaluted. Finally, the kinetic instabilities of the compact magnetic mirror plasma and the effect of the electron cyclotron resonance heating method on the confinement will be studied. We hope that the confinement characters of the energetic particles and the plasma kinetic instabilities in the designed advanced compact magnetic mirror could be known by those early stage theoretical studies, which can provide some directions for futher magnetic mirror fusion machines.

本项目主要研究先进紧凑型磁镜聚变装置中高能粒子的约束特性。首先，基于课题组建立的先进紧凑型磁镜聚变装置的磁场位形，通过粒子运动方程和正则哈密顿方程两条不同的途径对装置内高能单粒子的轨道演化过程进行研究，获得单粒子的约束特性；进而考虑真实系统的多粒子特性，通过数值精确自洽求解粒子分布函数的弗拉索夫方程和体系的泊松方程，结合粒子的运动方程，研究在考虑多粒子效应后粒子轨道的演化特征和粒子的约束性能；最终，在项目组建立的单粒子轨道演化方程和多粒子轨道演化方程的基础上，研究装置内等离子体的动理学特征和电子回旋共振加热对装置内高能粒子约束特征的影响。期望通过本项目的研究，能够从理论上对先进紧凑型磁镜聚变装置中高能粒子的约束特性和装置内等离子体的动理学特征建立前期的认识，为未来建立该类磁镜装置提供先期的理论指导和认识。

紧凑型聚变反应装置具有紧凑、高效、无冗余场、高β值、表面磁场高、获得的等离子体具有全局和局域稳定性等优点；装置整体构造简单，调整、部署和维护费用低，发展周期较短。初步物理实验表明该类装置中等离子体具有磁流体全局稳定性，并有较高的约束效率。. 项目采用Boris算法和RK4算法严格数值求解单粒子运动方程，研究先进磁镜位型下高能粒子的约束特性和高能粒子能量、发射角以及外加电场对粒子约束性能的影响；并在所获得的精确的粒子轨道能量的基础上，开展紧凑型磁约束聚变装置等离子体不稳定性研究和不同辅助加热机制对装置中等离子体约束性能的影响研究。. 项目按照预期目标顺利进行，完成了先进磁镜系统磁场位型的优化和计算工作，并利用Boris算法编写了先进磁镜位形中单粒子轨道模型方程的程序代码。课题组成员利用开发的程序代码开展了径向电场对装置中高能粒子的约束影响研究；并从理论上推导得到了先进磁镜位形中粒子损失锥不稳定性的色散方程，预言了会切磁场位型可以有效地降低损失锥不稳定性。 . 在项目的支持下过获得的多项研究论文已经发表在国内外重要的科学期刊上。项目的研究为未来我国设计紧凑型磁约束聚变装置提供了重要的理论指导，有助于我国磁 约束聚变综合实力的提升；获得的研究数据和掌握的研究技术，可以更好地服务于国家的磁约束聚变能源事业，并提升我国在紧凑型磁约束聚变装置方面的研究水平。