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离子轨道损失与H模托克马克边界径向电场

汇报人：

2024-01-15

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目录

引言

离子轨道损失理论基础

H模托克马克边界径向电场特性研究

离子轨道损失与边界径向电场关系研究

数值模拟与仿真分析

结论与展望

01

引言

在托卡马克装置中，高能离子由于轨道不稳定性而损失，对装置运行和等离子体性能产生重要影响。研究离子轨道损失有助于优化装置设计、提高等离子体约束性能。

离子轨道损失

H模是托卡马克装置中实现高性能等离子体约束的重要运行模式。边界径向电场是影响H模形成和维持的关键因素之一。研究H模托卡马克边界径向电场有助于揭示H模形成机制，为实现聚变能源提供理论支持。

H模托卡马克边界径向电场

国内外学者在离子轨道损失方面开展了大量研究工作，包括理论模拟、实验诊断和数值模拟等。目前，已经建立了较为完善的离子轨道损失理论体系，但仍存在诸多挑战，如复杂磁场位形下的离子轨道损失机制、多尺度物理过程耦合等。

近年来，随着托卡马克装置的不断升级和实验技术的进步，H模托卡马克边界径向电场的研究取得了重要进展。国内外学者通过实验观测和数值模拟等手段，深入研究了边界径向电场的形成机制、演化规律以及与等离子体约束性能的关系。然而，关于边界径向电场的精细结构和动力学过程等方面仍需深入研究。

未来，离子轨道损失与H模托卡马克边界径向电场的研究将更加注重多尺度、多物理过程的耦合效应，发展高精度数值模拟方法和先进实验诊断技术，以揭示复杂磁场位形下离子轨道损失机制和H模形成机制，为聚变能源的实现提供有力支持。

离子轨道损失研究现状

H模托卡马克边界径向电场研究现状

发展趋势

研究内容：本研究旨在深入研究离子轨道损失与H模托卡马克边界径向电场的物理机制，揭示它们之间的内在联系和相互作用。具体内容包括：建立离子轨道损失的理论模型；发展适用于复杂磁场位形的数值模拟方法；通过实验观测和数值模拟等手段研究H模托卡马克边界径向电场的精细结构和动力学过程；探讨离子轨道损失与边界径向电场的相互作用及其对等离子体约束性能的影响。

研究目的：通过本研究，期望达到以下目标：深入理解离子轨道损失的物理机制，为优化装置设计提供理论支持；揭示H模托卡马克边界径向电场的形成机制和演化规律，为实现高性能等离子体约束提供指导；探讨离子轨道损失与边界径向电场的相互作用机制，为聚变能源的实现提供新的思路和方法。

研究方法：本研究将采用理论模拟、实验诊断和数值模拟相结合的方法进行研究。具体方法包括：建立离子轨道损失的理论模型，并通过数值模拟验证模型的正确性；利用先进的实验诊断技术对H模托卡马克边界径向电场进行观测和分析；发展适用于复杂磁场位形的数值模拟方法，模拟离子轨道损失和边界径向电场的相互作用过程；通过对比分析实验结果和模拟结果，揭示离子轨道损失与边界径向电场的内在联系和相互作用机制。

02

离子轨道损失理论基础

离子轨道损失是指离子在磁场中运动时，由于磁场的不均匀性或其他因素导致离子偏离其原始轨道，最终损失在装置壁上的现象。

根据离子损失的原因和机制，离子轨道损失可分为碰撞损失、漂移损失和扩散损失等。

分类

离子轨道损失定义

通过追踪单个离子在磁场中的运动轨迹，计算其偏离原始轨道的程度和最终损失位置。

粒子追踪法

利用随机抽样方法模拟大量离子在磁场中的运动过程，统计离子轨道损失的分布和概率。

蒙特卡罗模拟法

通过建立离子运动方程并求解，得到离子轨道损失的解析表达式，进而计算损失率。

解析法

等离子体参数

等离子体的密度、温度和电势等参数也会影响离子轨道损失。例如，高密度的等离子体可能增加碰撞概率，从而增加离子轨道损失。

磁场位形

磁场的形状、强度和分布对离子轨道损失有重要影响。不均匀的磁场或磁场梯度可能导致离子偏离其原始轨道。

装置结构

装置的结构、材料和壁条件对离子轨道损失也有影响。例如，装置壁的材料和表面状态可能影响离子的反射和吸附过程，从而影响损失率。

03

H模托克马克边界径向电场特性研究

磁约束聚变

H模托克马克是一种利用强磁场约束高温等离子体，实现聚变反应的装置。其基本原理是通过磁场对带电粒子的洛伦兹力作用，将高温等离子体约束在真空室内，以达到聚变反应的条件。

环形结构

H模托克马克通常采用环形结构，由中心柱、真空室、磁场线圈等部分组成。其中，磁场线圈产生强磁场，约束等离子体；真空室则提供反应空间。

等离子体不稳定性

在H模托克马克中，等离子体存在各种不稳定性，如漂移波、电阻壁模等。这些不稳定性会导致等离子体边界产生径向电场。

径向电场作用

径向电场在等离子体边界形成电势差，对带电粒子产生径向电场力。这个力可以影响粒子的运动轨迹，从而改变等离子体的约束性能。

离子轨道损失

在H模托克马克中，部分离子会获得足够的能量，克服磁场约束而逃逸出等离子体，造成离子轨道损失