本研究由西南物理研究院（Southwestern Institute of Physics）的Zhiyi Yin、Min Jiang、Baolong Hao等人联合中国科学技术大学、西南交通大学及清华大学的研究者共同完成，论文发表于核聚变领域权威期刊 Nuclear Fusion 第66卷（2026年），文章编号106013，于2026年8月28日正式出版。该研究首次在HL-3托卡马克高β_N（归一化比压）等离子体中，针对新经典撕裂模（neoclassical tearing mode，NTM）引发的快离子损失（fast ion losses，FIL）现象开展了系统性实验与数值模拟研究。

本研究属于磁约束核聚变等离子体物理领域，重点关注高β等离子体条件下磁流体动力学（MHD）不稳定性与高能快离子输运之间的相互作用。在燃烧等离子体（burning plasma）中，快离子（尤其是聚变产生的α粒子）是维持自持加热和等离子体压强的重要能量源。然而，高β_N运行场景虽然有利于形成内部输运垒（internal transport barrier）并提升约束性能，却容易激发NTM不稳定性。NTM会通过磁岛结构在磁面之间打开径向输运通道，不仅降低热等离子体约束，还可能增强快离子输运与损失，导致加热效率下降并对第一壁（first wall）造成热负荷威胁。此前在DIII-D、ASDEX Upgrade、JET、EAST、HL-2A和MAST-U等装置上已有关于NTM诱导快离子输运的研究，但在高β_N等离子体中，特别是结合快离子损失探测器（fast ion loss detector，FILD）和轨道计算开展的系统性实验证据仍然有限。因此，本研究旨在利用HL-3装置上先进的快离子诊断和数值工具，阐明（2,1）NTM引起快离子损失的物理机制。

论文首先介绍了实验设置。HL-3托卡马克是一台中型装置，大半径R₀=1.78米，小半径a=0.65米，实验中采用两套同向中性束注入（neutral beam injection，NBI）系统，束能量为48 keV，最大功率为2.4 MW，注入角与等离子体电流方向呈31.9°。研究选取的典型放电为#13192，等离子体电流约300 kA，纵场强度在1.08–1.15 T之间，处于H模（H-mode）阶段。诊断方面，电子温度由汤姆逊散射系统测量，电子线平均密度由CO₂激光色散干涉仪获得，离子温度和环向旋转剖面由电荷交换复合光谱（charge exchange recombination spectroscopy，CXRS）提供，NTM的二维磁岛结构则通过软X射线层析反演结合奇异值分解（singular value decomposition，SVD）获得。磁扰动模式数和磁岛宽度由Mirnov探针阵列确定，该阵列包含环向12个和极向40个探针。快离子诊断包括高时间分辨率FILD、高空间分辨率FILD相机和E//B中性粒子分析器（neutral particle analyzer，NPA），以及用于测量总中子产额的²³⁵U裂变室。FILD的硅光电倍增管阵列采样率高达2 MHz，为研究旋转NTM引起的快离子损失高频涨落提供了可能；E//B NPA视线穿越NBI#1，可对约束氢和氘离子进行主动测量，其能量范围为20–200 keV，时间分辨率为1 ms，所测粒子螺距角（pitch angle）v∥/v约为0.3，属于俘获粒子（trapped particles）。

研究结果部分首先展示了高β_N H模等离子体中（2,1）NTM的观测。在NBI功率从1.4 MW阶梯式升至2.4 MW后，储能W_e增加了约20%，β_N由2.5升至3.0，而线平均密度变化不大，表明NBI主要贡献于加热而非加料。在q=2面附近（r≈213 cm）检测到一个频率为4.5–5.5 kHz的相干模式，通过极向和环向Mirnov探针信号的相位分析确定其极向模数m=2、环向模数n=1，且该模式频率与CXRS测得的q=2面附近碳离子旋转频率非常接近，说明该NTM在等离子体坐标系中频率极低。磁岛宽度由半经验公式根据Mirnov探针测量到的n=1壁磁扰动幅值估算。结果显示，在β_N和极向比压β_p上升阶段（1550–1700 ms），磁岛宽度同步增大；1700 ms后，尽管NBI功率保持不变，储能、β_N、β_p、离子温度和中子通量均出现下降，表明NTM引起了一定程度的能量约束和快离子约束退化。饱和磁岛宽度与β_p近似线性相关，符合修正Rutherford方程（modified Rutherford equation，MRE）的预测，进一步验证了该相干模式属于NTM。

在快离子损失观测方面，FILD第10通道的频谱显示与Mirnov信号频谱相似的特征频率，特别是在1600 ms后，基频及其二次谐波均明显存在，说明NTM磁岛旋转对快离子损失产生了调制作用。FILD信号强度在NBI功率升至2.4 MW后显著增强，磁扰动幅值也同步增大，磁岛宽度与快离子损失强度之间存在关联。E//B NPA测量显示，在NBI功率保持不变的1650–1900 ms期间，42 keV和48 keV的快中性粒子计数逐渐下降，进一步证明大磁岛NTM导致了快离子约束的退化。利用高空间分辨率FILD在1826–1828 ms期间记录的损失图像，结合FILD模拟代码重构的速度空间分布表明，损失快离子的螺距角集中在112°–118°，能量范围40–60 keV，与中性束全能量48 keV相符，也印证了E//B NPA的测量结果。该损失点与高时间分辨率FILD第10通道的视线一致，说明该损失信号确实来自NTM诱导的快离子损失。

物理机制分析部分进一步确认了对流损失（convective loss）为主导机制。将快离子损失强度（按NBI功率归一化）对磁岛宽度的平方进行统计拟合，得到近似线性关系（y=7.16×10⁻³x−1.23，决定系数R²=0.51），这类似于ASDEX Upgrade上TAE（toroidal Alfvén eigenmode）诱导的对流快离子损失，表明NTM磁岛通过对流方式将快离子从芯部输运至损失轨道。轨道反演计算显示，从FILD位置出发沿时间反向追踪50 keV、115°螺距角的快离子损失轨道，发现其属于俘获轨道，并与软X射线层析得到的（2,1）磁岛空间结构在低场侧重叠，表明NTM磁岛与损失快离子轨道之间存在直接的几何相互作用。进一步利用ORBIT程序计算了快离子与NTM的波粒共振条件。共振条件定义为ω_{n,p}=nω_ϕ−pω_θ−ω_NTM≈0，其中ω_ϕ为环向进动频率，ω_θ为极向反弹频率，n为环向模数，p为整数。计算所使用的快离子分布由TRANSP/NUBEAM模块根据实验剖面给出。结果显示，对于λ=μB/E=1的俘获粒子，在磁岛区域（r≈205–215 cm）、能量范围40–60 keV内，进动频率与反弹频率接近，并且满足p=1的共振条件；p=2及以上共振未出现。这一共振所对应的能量范围与FILD实测的损失快离子能量一致，证实了低频率NTM与高能俘获快离子之间发生了波粒共振，进而驱动了对流损失。相空间分析还表明，在ω_NTM p_ζ−nE=常数的约束下，动力学庞加莱图在（p_ζ/ψ_w, θ）空间中显示出明显的共振岛结构，而在（E, θ）空间中共振结构较弱，说明NTM与快离子相互作用主要改变环向正则动量（toroidal canonical momentum）而非粒子能量。此外，尽管数值计算显示近轴通行粒子和外区俘获粒子均可与NTM共振，但实验中FILD仅探测到俘获粒子的损失，这是因为NTM与近轴通行粒子的作用主要导致快离子在芯部的重新分布，而外区俘获粒子则会直接进入损失通道。

本研究的意义在于：首次在HL-3高β_N等离子体中实验证实了（2,1）NTM通过对流机制诱导俘获快离子损失，明确了NTM旋转对FILD信号的调制关系，并通过ORBIT程序计算验证了波粒共振条件。这一结果为未来聚变反应堆中预测和控制NTM引起的快离子损失提供了重要的实验参考和物理理解。特别是对于未来高束能量NBI加热或α粒子主导的燃烧等离子体而言，即使俘获快离子在总快离子群体中所占比例较小，其损失也可能对第一壁安全构成严重威胁。论文最后还指出，未来研究方向包括磁岛尺寸与快离子轨道宽度相当时快离子输运行为的转变、撕裂模/新经典撕裂模频率啁啾与快离子的关系，以及快离子激发NTM的机制等问题。这些开放问题为高β等离子体中快离子物理与MHD不稳定性交叉领域的研究提供了明确的方向。

本研究的亮点体现在三个方面：其一，利用高时间分辨率FILD成功捕捉到NTM旋转频率对快离子损失信号的调制，这是实验上直接证明NTM与快离子损失因果联系的关键证据；其二，结合FILD速度空间测量、EFIT平衡重建后向轨道追踪以及软X射线层析获得的二维磁岛结构，在几何上证实了损失快离子轨道与磁岛的相互作用；其三，通过ORBIT计算定量给出了共振条件的满足范围，并结合相空间分析指出共振主要改变正则动量而非能量，深化了对低频NTM与高能俘获快离子相互作用物理本质的认识。