等离子体加热是磁约束核聚变中最基本的问题之一，等离子体辅助加热的主要手段有中性束注入加热和射频波加热等[1，2]。中性束注入加热相比于其他方法具有物理机制简单、加热效率高、不存与等离子体耦合问题等优点，因而已成为各个实验装置中广泛应用的辅助加热手段，并且取得很好的加热效果，中性束注入加热已经成为高温等离子体辅助加热最有效的方法之一[3，4]。
摘 要：本文数值模拟研究了中性束注入等离子体产生的快离子空间分布，讨论了快离子空间分布随中性束在等离子体中平均自由程变化情况。采用HL_2A装置参数模拟了线束和扩散束两种情况下快离子的空间分布，结果表明束粒子在等离子体中的平均自由程对束的沉积剖面影响较大，当平均自由程与小半径相当时快离子密度分布在在磁轴处有一个较大的峰值。
关键词：核心科技期刊投稿,中性束注入,快离子空间分布,平均自由程
中性束注入等离子体后，快中性原子与本底等离子体中的电子和离子碰撞电离，或者与本底等离子体发生电荷交换而变成快离子，快离子再通过与本底等离子体碰撞慢化将能量传递给本底等离子体从而达到加热等离子体的目的[5]。人们期望束能量尽可能的沉积在等离子体芯部达到加热芯部等离子体目的，因而了解中性束与等离子体的相互作用过程，确定中性束离化产生的快离子空间分布对进一步研究中性束注入加热的功率沉积、驱动电流等具有重要意义。
中性束注入加热物理机制相对简单，但是束与本底等离子体的相互作用也是一个非常复杂的过程，为了更好的分析中性束注入后与本底等离子体相互作用，开发了很多针对不同的中性束注入装置的数值模拟程序来对束加热等相关问题进行模拟分析[6～9]，目前常用的中性束注入模拟的程序有ONETWO/NUBEAM、ASTRA、NBEAMS、ACCOME 等[10，11]，这些模拟程序基本上都考虑了中性束注入的主要过程，即束的沉积、快离子轨道运动和快离子的慢化，但是采用的简化模型和数值方法各有不同，对束沉积的求解有扩散束的方法和蒙特卡罗的方法。本文采用Rome等[5]的扩散束模型自主编写了束沉积程序，数值模拟了中性束注1入等离子体产生的快离子空间分布。
1 物理模型
1.1 线束
一个流强为IB的线束从平面Z=ZB沿切向半径R=RB方向注入注入等离子体如示于图1所示。由图可知，束注入和离开等离子体的半径是，并假定中性束没有打到托卡马克等离子体的内侧，即处。
定义IBNB(s)/e为线束每秒沿中性束路径上的一点的中性束粒子数，则NB可表示为[5]：
2 结果与分析
计算中采用的托卡马克等离子体和中性束参数为HL-2A参数：大半径： m;小半径：a=0.45 m;环向中心磁场：;中心等离子体密度：;中性束能量E=25KeV，等效流强IB=2.3A。为简化计算，设中性束从中平面注入，即，并取中性束为氢中性束。
图2给出了快离子沿着中性束径迹的分布随平均自由程的变化情况，计算中 m。从图中可以看到，在等离子体边缘由于密度较小束沉积线性趋于零，当平均自由程较小时，束沉积主要集中在低密度区，当≥时，束可以沉积到等离子体中心，所得结果变化趋势与文献[5]吻合较好。
在线束模型中由于是线束注入点，是一个奇异点，在扩散束中通过积分处理可以消除这一奇异性。图3给出了扩散束注入产生的快离子密度分布空间形状因子。由图可知，当平均自由程较小时，中性束沉积主要分布在等离子体的外缘，并且将随着平均自由程的增加在等离子体的中心沉积增大，当平均自由程从(虚线所示)到，束沉积分布变化不大，而平均自由程进一步增大到时，在等离子体中心的沉积将会减少，因为此时有较大的束穿透损失。
3 结论
本文采用Rome的物理模型数值模拟了中性束注入等离子体产生的快离子空间分布。结果表明：平均自由程对快离子空间分布影响较大，要使束粒子和能量尽可能沉积在等离子体芯部，平均自由程约为小半径的2倍为宜。本工作为下一步计算中性束功率沉积、加热效率等打下基础。
参考文献
[1] Speth E.， Neutral Beam Heating of Fusion Plasmas，Reports on Progress in Physics，1989.52(1)：p.57-121.
[2] 朱士尧.核聚变原理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，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.
