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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明公开了一种用于托卡马克中离子回旋共振加热产生高能粒子损失的模拟方法，属于离子回旋共振领域。在数值模拟托卡马克装置中离子回旋共振加热产生的高能量离子损失过程中，首先根据射频波天线参数在特定的磁场位形中计算离子回旋共振频段电磁波产生的电磁场，接着通过蒙特卡洛测试粒子模拟程序演化粒子分布函数以及粒子轨道，统计高能量粒子的损失。由于粒子分布函数的改变，需要对电磁场计算和粒子轨道计算进行迭代，从而达到长时间自洽演化的效果。本发明实现了离子回旋共振加热在真实磁场位形以及天线参数下导致的粒子损失计算，可以得到任意粒子种类的粒子轨道输运性质以及对壁的热负荷。

主权项：1.一种用于托卡马克中离子回旋共振加热产生高能粒子损失的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确认托卡马克放电实验中的射频天线参数，即射频天线的位置参数，形状参数以及射频波的频率参数；确认托卡马克放电的磁场位形、等离子体各组分平衡剖面信息；将射频天线参数、磁场位形以及等离子体各组分平衡剖面信息中的平衡剖面参数代入波方程求解器，在初始麦克斯韦假设下求得真实三维磁场下的离子回旋共振加热波场信息，离子回旋共振加热波场信息将作为初始的扰动电场代入到蒙特卡洛测试粒子模拟程序中，离子回旋共振加热波场信息包含波场幅度E+和E-，波场波矢k||和k⊥，波场的圆频率ωRF；其中E+和E-分别为垂直波场左旋分量和右旋分量的幅度；k∥和k⊥分别为平行磁场方向和垂直磁场方向的波场波矢，k∥通过射频天线位置信息给出，k⊥通过射频波在等离子体中的传播特性得到，波的圆频率通过射频波频率给出；步骤2：根据托卡马克放电实验，采用和步骤1同样的等离子体各组分平衡剖面参数和磁场位形，将离子回旋共振加热波场信息作为初始的扰动电场代入到蒙特卡洛测试粒子模拟程序中，初始化蒙特卡洛测试粒子模拟程序的模拟参数，模拟参数即粒子轨道演化中的漂移运动算符、碰撞算符和可能包含的聚变反应过程；其中，漂移运动算符是通过平衡磁场信息构建得到的，碰撞算符即为通过等离子体平衡剖面计算给出的碰撞频率信息，聚变反应是在考虑放电条件下所包含的粒子组分通过经验公式给出的；通过蒙特卡洛采样得到麦克斯韦分布下的离子初始信息，利用离子初始信息通过四阶龙格库塔法演化离子轨道；步骤3：按照准线性理论确定离子轨道演化过程中共振离子由于离子回旋共振加热作用下在相空间中的变化；具体步骤如下：步骤3.1：判断离子是否为共振离子；由于在包含碰撞效应下离子轨道特征的改变，该过程通过计算离子和波场发生共振的位置实现；根据离子回旋共振波场和离子的共振条件：ωRF-k||v||-nωc＝0判断离子是否为共振离子；其中，ωRF和k∥分别为步骤1所给出的波场圆频率和平行磁场方向的波场波矢；v∥为离子平行磁场方向速度，ωc为离子回旋频率，n为正整数；当离子满足共振条件时，即判断为共振离子，该离子可受到波场的电磁力作用从而获得加速或减速；步骤3.2：根据准线性理论，得到共振离子在相空间即速度空间的变化量；该变化量在判断离子满足步骤3.1中的共振条件时计算给出，表征共振离子在和波场共振作用下的轨道平均变化量；离子的平行速度变化量Δv∥和磁矩变化量Δμ分别为： 其中，v⊥为垂直磁场方向的离子速度，表征垂直磁场方向动能变化量，其包含扰动平均部分和随机扰动部分来表征随机扩散过程，Rs为0到1区间内均匀分布的随机数；q和m分别为离子电荷和离子质量，B为磁感应强度；为n阶贝塞尔函数，k⊥由步骤1给出；τ为有效相互作用时间；E+和E-为波电场的左旋和右旋分量，由步骤1给出；步骤4：根据修正的粒子轨道信息，通过四阶龙格库塔法持续演化离子轨道，直到得到离子统计性质下的准稳态平衡，即离子回旋加热的功率注入和离子通过碰撞损失的功率损耗的平衡；通过统计得到准稳态的离子分布函数，此时的分布函数即为离子回旋共振加热下修正的分布函数，对初始的麦克斯韦分布有明显的偏移；将修正的分布函数代入步骤1和步骤2，替换步骤1和步骤2中初始的麦克斯韦分布，得到修正的波场信息；重复步骤1至步骤4，直到得到收敛的离子分布函数和波场信息；步骤5：在收敛的波场下统计离子的轨道特性以及离子的损失特性，此时的准稳态不会有明显的变化；在离子特征损失时间的尺度上统计离子的损失特性，即可得到离子回旋共振加热下具有收敛性质的离子损失特性和离子回旋共振加热功率沉积信息。

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