磁約束聚變等離子體中,中性束注入或射頻波加熱能夠產(chǎn)生幾十千至兆電子伏特能量的高能量粒子,氘氚聚變產(chǎn)物阿爾法粒子的初始能量為3.5 MeV.高能量離子通常具有較大徑向尺度的運(yùn)動(dòng)軌道,一般不會(huì)凍結(jié)在磁力線上,可能還出現(xiàn)直接的軌道損失.由于高能量粒子存在固有的自由能(壓強(qiáng)梯度和速度空間各向異性),其特征軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)與剪切阿爾芬波及低頻磁體不穩(wěn)定性發(fā)生共振相互作用,激發(fā)各種阿爾芬本征模和能量粒子模不穩(wěn)定性,如環(huán)向阿爾芬本征模和魚骨模等.這些不穩(wěn)定性與高能量粒子之間的非線性相互作用反過來會(huì)導(dǎo)致高能量粒子對(duì)流及擴(kuò)散損失.直接軌道損失和輸運(yùn)損失的高能量粒子有可能轟擊在聚變反應(yīng)堆的第一壁上,縮短第一壁使用壽命,甚至?xí)?dǎo)致反應(yīng)堆無法正常運(yùn)行.在ITER 和未來聚變示范堆燃燒等離子體中,氘氚聚變產(chǎn)物阿爾法粒子具有高能低密度的特點(diǎn)以及與背景熱等離子體可比的壓強(qiáng),并提供比外部注入高得多的加熱功率,因此,阿爾法粒子對(duì)背景等離子體的加熱、阿爾法粒子輸運(yùn)與約束、阿爾法粒子與磁流體不穩(wěn)定性及湍流的相互作用、阿爾法粒子驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定性等過程變得非常重要,對(duì)這些過程的深刻理解、有效控制和利用將是實(shí)現(xiàn)等離子體高效穩(wěn)定聚變?nèi)紵暮诵幕A(chǔ).

應(yīng)《物理學(xué)報(bào)》編輯部的邀請(qǐng),我們邀請(qǐng)了部分活躍在研究高能量粒子第一線的中青年科學(xué)家,組織了本期專題.馬瑞瑞及其合作者闡述了反磁剪切托卡馬克等離子體中低頻剪切阿爾芬波的理論研究.徐明及其合作者綜述了EAST 反磁剪切條件下磁流體不穩(wěn)定性及內(nèi)部輸運(yùn)壘物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果.包健等13 位青年科學(xué)家分別在阿爾芬模穩(wěn)定性、阿爾芬模非線性行為、磁流體不穩(wěn)定性協(xié)同作用、高能量粒子輸運(yùn)與損失和高能量不穩(wěn)定性控制等幾個(gè)方向陳述了磁約束等離子體中高能量粒子有關(guān)的理論、模擬和實(shí)驗(yàn),反映了此領(lǐng)域的一些研究現(xiàn)狀,希望對(duì)讀者了解此前沿課題有所幫助.