近日，中国科学技术大学与山东大学、中国科学院等离子体物理研究所合作，深入研究了聚变装置中逃逸电子导心辐射模型的适用性问题，为研究逃逸电子长期动力学行为、发展高能量电子虚拟诊断和探索逃逸电子防护新方案奠定了坚实基础。
图1: 导心辐射模型的失效程度对三个关键参数依赖关系。
托卡马克中逃逸电子的无碰撞投掷角散射机制能够将动量从平行方向转移到垂直方向，导致逃逸电子的磁矩不再渐近守恒，故导心模型对于高能量逃逸电子动力学失效，在研究时必须采用跨尺度全轨道动力学理论。而与之密切相关的另一重要问题是导心模型所推演出的导心同步辐射公式在逃逸电子动力学模型和诊断重建模型中是否适用。逃逸电子的同步辐射是制约其能量极限的主要机制，也是高能量电子诊断测量的重要手段。
图2 :不同磁场强度下导心辐射模型的偏离度。
研究团队首次系统量化评估了导心辐射模型在不同能区和投掷角条件下的误差范围，明确了其在相对论区域和强磁场条件下的偏离特征，并创新性地提出基于回旋周期内磁场向量最大变化量、磁矩最大相对变化量和投掷角极值变化范围三个关键参数作为模型失效判断标准。研究中发现了导心辐射模型偏离在参数空间中的“鼻状”结构，表明在低能量和小投掷角区间，导心辐射模型的偏离程度对逃逸电子能量和投掷角呈非线性的依赖关系。
图3 :辐射功率和模型偏离度在能量-投掷角参数空间等高线图。
这一成果不仅为聚变装置中逃逸电子的全轨道动力学研究奠定了坚实的理论基础，更为实现高能量电子分布的精准诊断重建、提升装置运行安全性能的新方案探索提供了关键的科学依据。
相关研究成果发表于核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》。论文第一作者是中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系硕士研究生李文祥，通讯作者为山东大学科学智能研究院刘健教授，中国科学院等离子体研究所张洋研究员和中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系谢锦林教授为主要合作作者。该研究得到国家磁约束聚变能研究发展计划和等离子体几何算法模拟器（GAPS）项目支持。
原文链接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/ade3ef
等离子体物理与聚变工程系简介：等离子体物理与聚变工程系（校内编号52系）自2020年成立以来，已成为中国首个专注于等离子体物理与聚变工程教学与研究的系级机构。其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。目前，52系具有应用物理和工程物理两个本科专业，招收物理学(等离子体物理）、核科学技术(核能工程)、能源动力三个专业的研究生。