近日,EAST團(tuán)隊(duì)孫有文研究員課題組何開(kāi)洋博士在共振磁擾動(dòng)(RMP)下高能離子損失模擬研究中取得新進(jìn)展,自主開(kāi)發(fā)全軌道模擬程序結(jié)果以“Full-orbit simulation of fast ion loss under resonant magnetic perturbations in the EAST tokamak”為題發(fā)表在核聚變領(lǐng)域權(quán)威期刊Nuclear Fusion【K. He, Y. Sun, B.N. Wan et al 2021 Nucl. Fusion 61 016009】。該結(jié)果是繼近期發(fā)表的“Roles of primary and sideband resonances in the confinement of energetic passing ions under resonant magnetic perturbations”【K. He, Y. Sun, B.N. Wan et al 2020 Nucl. Fusion 60 126027】和“Resonant effects on the loss of energetic trapped ions induced by low-n resonant magnetic perturbations”【K. He, B.N. Wan, Y. Sun et al 2019 Nucl. Fusion 59 126026】后又一新進(jìn)展。
托卡馬克中高能離子的充分約束,對(duì)現(xiàn)今裝置的運(yùn)行和未來(lái)聚變堆的成功都至關(guān)重要。RMP作為邊界局域??刂频闹匾侄沃欢粡V泛使用,但其三維效應(yīng)可能會(huì)威脅高能離子的約束。因此,RMP對(duì)高能離子約束的影響近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。課題組近年來(lái)利用數(shù)值模擬的方式研究RMP下高能離子損失,并取得了一系列新進(jìn)展。
基于對(duì)損失粒子的相空間分析,模擬結(jié)果揭示了共振機(jī)制在俘獲離子損失中的關(guān)鍵作用(如圖1),以及該機(jī)制對(duì)RMP譜型的依賴(lài)性。研究結(jié)果不僅顯示了線性共振在n=2 RMP下的作用,還表明非線性共振在n=1 RMP中的作用,揭示了不同三維場(chǎng)條件下高能粒子的共振損失機(jī)理。
基于對(duì)粒子相空間漂移島結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析,研究首次系統(tǒng)性揭示了邊帶共振效應(yīng)在RMP下通行離子約束中的主導(dǎo)作用(如圖2)。該結(jié)論否定了以往磁拓?fù)渲鲗?dǎo)通行離子約束的直觀理解,明確指出RMP譜型中非共振分量的重要作用。同時(shí),該結(jié)論對(duì)于預(yù)測(cè)高比壓放電中高能通行離子約束具有重要科學(xué)意義。
為獲取更加真實(shí)的模擬結(jié)果以及滿(mǎn)足未來(lái)實(shí)驗(yàn)分析的需求,課題組成員自主開(kāi)發(fā)了基于全軌道的Monte-Carlo程序SOFT。該程序通過(guò)在托卡馬克磁場(chǎng)中求解粒子真實(shí)軌道,能夠更加真實(shí)地還原高能離子的行為(如圖3)。目前,程序已經(jīng)成功應(yīng)用于RMP下NBI離子損失特性及其物理機(jī)制的分析上。
以上研究結(jié)果對(duì)于RMP下快離子損失份額評(píng)估、物理機(jī)制理解和將來(lái)?yè)p失優(yōu)化方案設(shè)計(jì)具有重要意義。相關(guān)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:
1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ab3f80
2. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abb422
3. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abbe74
圖1: 損失俘獲離子的相空間分布(g)以及不同能段的共振條件((a)-(f))
圖2: 邊帶共振效應(yīng)在漂移島形成中的主導(dǎo)性作用(陰影對(duì)應(yīng)的區(qū)間)
圖3: EAST上高能離子軌道示例