近日，EAST大科學工程團隊孫有文研究員課題組何開洋博士在共振磁擾動（RMP）下高能離子損失模擬研究中取得新進展，自主開發全軌道模擬程序結果以“Full-orbit simulation of fast ion loss under resonant magnetic perturbations in the EAST tokamak”為題發表在核聚變領域權威期刊Nuclear Fusion【K. He, Y. Sun, B.N. Wan et al 2021 Nucl. Fusion 61 016009】。該結果是繼近期發表的“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】后又一新進展。

　　托卡馬克中高能離子的充分約束，對現今裝置的運行和未來聚變堆的成功都至關重要。RMP作為邊界局域模控制的重要手段之一而被廣泛使用，但其三維效應可能會威脅高能離子的約束。因此，RMP對高能離子約束的影響近年來受到廣泛關注。課題組近年來利用數值模擬的方式研究RMP下高能離子損失，并取得了一系列新進展。

　　基于對損失粒子的相空間分析，模擬結果揭示了共振機制在俘獲離子損失中的關鍵作用（如圖1），以及該機制對RMP譜型的依賴性。研究結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，揭示了不同三維場條件下高能粒子的共振損失機理。

　　基于對粒子相空間漂移島結構的細致分析，研究首次系統性揭示了邊帶共振效應在RMP下通行離子約束中的主導作用（如圖2）。該結論否定了以往磁拓撲主導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，該結論對于預測高比壓放電中高能通行離子約束具有重要科學意義。

　　為獲取更加真實的模擬結果以及滿足未來實驗分析的需求，課題組成員自主開發了基于全軌道的Monte-Carlo程序SOFT。該程序通過在托卡馬克磁場中求解粒子真實軌道，能夠更加真實地還原高能離子的行為（如圖3）。目前，程序已經成功應用于RMP下NBI離子損失特性及其物理機制的分析上。

　　以上研究結果對于RMP下快離子損失份額評估、物理機制理解和將來損失優化方案設計具有重要意義。相關研究受到國家重點研發、國家自然科學基金、國家磁約束核聚變能發展研究專項等項目的資助。

　　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: 邊帶共振效應在漂移島形成中的主導性作用(陰影對應的區間)

　　圖3: EAST上高能離子軌道示例