近日，中国科学技术大学刘健课题组发现了磁约束聚变装置中的高能逃逸电子投掷角无碰撞散射过程。自然界中的无碰撞耗散过程一直是备受关注却难以解释的重要现象。其中著名的例子包括湍流驱动的输运过程、星际空间的无碰撞磁场重联、朗道阻尼中电场的无碰撞衰减。本研究中发现的逃逸电子投掷角的无碰撞散射是此类现象的一个新种类。这种非碰撞散射来源于高能逃逸电子的多尺度动力学耦合和磁场的复杂几何位形，其强度比库伦碰撞散射强一百万倍。
由于复杂的多尺度效应——时间跨度达10个量级以上，逃逸电子的动力学过程长期以来都难以用解析和数值方法进行处理。此前对逃逸电子动力学的研究多采用回旋中心假设和回旋动理学模拟。这种模型假设能够大大简化问题，但无法描述真正的多尺度耦合问题。而不采用任何假设的第一性原理计算需要的计算步数会达到天文数字（1012步以上），用传统计算方法很难实现。由于传统算法的数值误差随计算步数不断积累，进行如此长期的数值模拟对传统计算方法是一种灾难。
为解决该问题，刘健课题组自主发展了具有优秀长期数值准确性的相对论保体积算法，该方法能够保证长期逃逸电子动力学模拟的准确性。基于该方法与第一性原理数值模拟技术，经过4×1012步的长期数值模拟，高能逃逸电子多尺度动力学的全貌首次被准确地揭示出来。其中回旋周期尺度与通行周期尺度的耦合对非碰撞散射的产生起到了至关重要的作用。这也直接导致了该问题中回旋中心假设的失效。由于磁场的环几何位形与多时间尺度耦合，高能逃逸电子在回旋周期内会经历快速的磁场旋转，从而导致了基于磁场几何效应的非碰撞散射现象（因此也称新经典散射）。发现这种新的非碰撞散射过程，为逃逸电子的动力学过程提供了全新的认识。在此基础上，许多重要的逃逸电子物理问题都能够得以进行更加深入的研究。如逃逸电子能量极限、可观测辐射谱和逃逸电子与共振磁扰动相互作用等问题，在非碰撞散射框架下将会呈现出新的特点与规律。该发现为磁约束聚变能研究过程中，解决如何缓解逃逸电子对磁约束聚变装置危害的问题提供了坚实的理论基础。
相关成果近期以快报（letter）形式在Nuclear Fusion期刊上发表。Nuclear Fusion期刊由国际原子能机构（IAEA）主办，是国际磁约束聚变能源研究领域的最重要的旗舰期刊。Nuclear Fusion期刊的快报旨在发表聚变能源领域的重大进展，2015年Nuclear Fusion期刊共发表了19篇快报。该研究获得了科技部计划和自然基金委多个项目的支持。
论文链接：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0029-5515/56/6/064002
（据中国科学技术大学）
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