等離子體加熱是磁約束核聚變中最基本的問(wèn)題之一，等離子體輔助加熱的主要手段有中性束注入加熱和射頻波加熱等[1，2]。中性束注入加熱相比于其他方法具有物理機(jī)制簡(jiǎn)單、加熱效率高、不存與等離子體耦合問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，因而已成為各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中廣泛應(yīng)用的輔助加熱手段，并且取得很好的加熱效果，中性束注入加熱已經(jīng)成為高溫等離子體輔助加熱最有效的方法之一[3，4]。

　　摘 要：本文數(shù)值模擬研究了中性束注入等離子體產(chǎn)生的快離子空間分布，討論了快離子空間分布隨中性束在等離子體中平均自由程變化情況。采用HL_2A裝置參數(shù)模擬了線束和擴(kuò)散束兩種情況下快離子的空間分布，結(jié)果表明束粒子在等離子體中的平均自由程對(duì)束的沉積剖面影響較大，當(dāng)平均自由程與小半徑相當(dāng)時(shí)快離子密度分布在在磁軸處有一個(gè)較大的峰值。

　　關(guān)鍵詞：核心科技期刊投稿,中性束注入,快離子空間分布,平均自由程

　　中性束注入等離子體后，快中性原子與本底等離子體中的電子和離子碰撞電離，或者與本底等離子體發(fā)生電荷交換而變成快離子，快離子再通過(guò)與本底等離子體碰撞慢化將能量傳遞給本底等離子體從而達(dá)到加熱等離子體的目的[5]。人們期望束能量盡可能的沉積在等離子體芯部達(dá)到加熱芯部等離子體目的，因而了解中性束與等離子體的相互作用過(guò)程，確定中性束離化產(chǎn)生的快離子空間分布對(duì)進(jìn)一步研究中性束注入加熱的功率沉積、驅(qū)動(dòng)電流等具有重要意義。

　　中性束注入加熱物理機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，但是束與本底等離子體的相互作用也是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，為了更好的分析中性束注入后與本底等離子體相互作用，開(kāi)發(fā)了很多針對(duì)不同的中性束注入裝置的數(shù)值模擬程序來(lái)對(duì)束加熱等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行模擬分析[6～9]，目前常用的中性束注入模擬的程序有ONETWO/NUBEAM、ASTRA、NBEAMS、ACCOME 等[10，11]，這些模擬程序基本上都考慮了中性束注入的主要過(guò)程，即束的沉積、快離子軌道運(yùn)動(dòng)和快離子的慢化，但是采用的簡(jiǎn)化模型和數(shù)值方法各有不同，對(duì)束沉積的求解有擴(kuò)散束的方法和蒙特卡羅的方法。本文采用Rome等[5]的擴(kuò)散束模型自主編寫(xiě)了束沉積程序，數(shù)值模擬了中性束注1入等離子體產(chǎn)生的快離子空間分布。

　　1 物理模型

　　1.1 線束

　　一個(gè)流強(qiáng)為IB的線束從平面Z=ZB沿切向半徑R=RB方向注入注入等離子體如示于圖1所示。由圖可知，束注入和離開(kāi)等離子體的半徑是，并假定中性束沒(méi)有打到托卡馬克等離子體的內(nèi)側(cè)，即處。

　　定義IBNB(s)/e為線束每秒沿中性束路徑上的一點(diǎn)的中性束粒子數(shù)，則NB可表示為[5]：

　　2 結(jié)果與分析

　　計(jì)算中采用的托卡馬克等離子體和中性束參數(shù)為HL-2A參數(shù)：大半徑： m;小半徑：a=0.45 m;環(huán)向中心磁場(chǎng)：;中心等離子體密度：;中性束能量E=25KeV，等效流強(qiáng)IB=2.3A。為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)中性束從中平面注入，即，并取中性束為氫中性束。

　　圖2給出了快離子沿著中性束徑跡的分布隨平均自由程的變化情況，計(jì)算中 m。從圖中可以看到，在等離子體邊緣由于密度較小束沉積線性趨于零，當(dāng)平均自由程較小時(shí)，束沉積主要集中在低密度區(qū)，當(dāng)≥時(shí)，束可以沉積到等離子體中心，所得結(jié)果變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[5]吻合較好。

　　在線束模型中由于是線束注入點(diǎn)，是一個(gè)奇異點(diǎn)，在擴(kuò)散束中通過(guò)積分處理可以消除這一奇異性。圖3給出了擴(kuò)散束注入產(chǎn)生的快離子密度分布空間形狀因子。由圖可知，當(dāng)平均自由程較小時(shí)，中性束沉積主要分布在等離子體的外緣，并且將隨著平均自由程的增加在等離子體的中心沉積增大，當(dāng)平均自由程從(虛線所示)到，束沉積分布變化不大，而平均自由程進(jìn)一步增大到時(shí)，在等離子體中心的沉積將會(huì)減少，因?yàn)榇藭r(shí)有較大的束穿透損失。

　　3 結(jié)論

　　本文采用Rome的物理模型數(shù)值模擬了中性束注入等離子體產(chǎn)生的快離子空間分布。結(jié)果表明：平均自由程對(duì)快離子空間分布影響較大，要使束粒子和能量盡可能沉積在等離子體芯部，平均自由程約為小半徑的2倍為宜。本工作為下一步計(jì)算中性束功率沉積、加熱效率等打下基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Speth E.， Neutral Beam Heating of Fusion Plasmas，Reports on Progress in Physics，1989.52(1)：p.57-121.

　　[2] 朱士堯.核聚變?cè)�理[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1992：5-6.

　　[3] Janev R K，Boley C D，Post D E. Penetration of energetic neutral beams into fusion plasmas[J].Nuclear Fusion，1989，29(12)：2125-2140.

　　[4] S.H.Jeong，D.H.Chang，T.S.Kim.First neutral beam injection experiments on KSTAR tokamak[J].Review of Scientific Instruments，2012，83(2)：1063-1069.