能源研究院联合大连理工大学在EAST紧凑环芯部加料轨迹模拟研究中取得新进展

近日，合肥综合性国家科学中心能源研究院联合大连理工大学等团队，在EAST托卡马克紧凑环（CT）芯部加料轨迹模拟研究中取得重要进展。成果以《Trajectory simulation of compact torus central fueling plasma in EAST》为题，发表于二区期刊《Plasma Physics and Controlled Fusion》68 (2026) 045020。论文第一作者为联合培养博士研究生杨李想，通讯作者为能源院谭名昇副研究员和大连理工王丰教授。

高效、深穿透的芯部加料技术，是未来聚变堆提高燃烧率，降低对氚增值比需求的关键。紧凑环注入凭借高速度、高密度和自组织磁场位形，被认为是极具前景的芯部加料手段之一。此前EAST-CTI已首次实现芯部加料，穿透至ψ_N=0.8-0.85，但仍低于ρ=0.7的工程目标，轨迹模拟和参数优化研究不足。

针对该问题，团队采用三自由度和六自由度导电球模型，模拟CT在EAST磁场中的运动轨迹，并改进磁流体动力学阻力项，将阿尔芬速度由常数改为位置相关函数，使其耦合局域磁场强度，提高非均匀磁场下模型的物理一致性。模拟综合考虑磁矩力、磁场梯度力和MHD阻力。

结果显示，CT以150km/s出口速度发射后，到达EAST外壁时速度降至约49.36km/s，最大穿透深度约ρ≈0.88，对应磁场约1.98T，与实验测量的2.02-2.05T吻合。参数扫描表明，穿透深度随注入速度、CT密度和CT磁场强度增加而增大，其中速度影响最强；随背景等离子体密度增加而减小，并在超过约0.9×10¹⁹ m⁻³后趋于饱和。研究还给出不同注入位置的最佳角度：P₁(2.125,0,0.39)为(0,−30^∘,0)，P₂(2.35,0,0)为(0,0,0)，EAST-CTI实际位置P₃(2.306,0,−0.195)为(0,10^∘,0)。

面向EAST-CTI系统ρ=0.7的工程设计目标，研究提出两条优化路径：出口速度约145km/s、CT密度约2.3×10²² m⁻³，有利于保留粒子存量；或出口速度约237km/s、CT密度约0.86×10²² m⁻³，主要通过提高注入速度实现目标穿透。两种路径兼顾当前可行性与未来升级潜力，为EAST-CTI升级提供理论参考。

该研究系统揭示了注入速度、密度、磁场强度、背景等离子体密度及注入角度对CT穿透深度的影响规律，为理解CT等离子体在复杂磁场中的输运机制提供了理论基础，也为未来聚变堆芯部加料和主动输运控制提供了新思路。同时，研究也指出当前模型在磁场结构、CT质量损失和磁重联效应等方面仍存在简化，未来将引入更自洽的MHD框架，纳入背景等离子体温度密度剖面以及CT变形和质量损失等过程，进一步提升模型的物理完整性和预测能力。

该工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及能源研究院重大培育项目等资助，并得到EAST装置运行团队的大力支持。

图1：EAST上紧凑环注入位置及磁场分布示意

图2：CT注入位置与旋转角度坐标系示意

图3：不同注入位置下满足ρ≈0.7设计目标的最小注入速度—CT等离子体密度组合