Guiding-center orbit-following simulations of fast ion losses for two neutral beam injections (NBIs) with three-dimensional (3D) magnetic perturbations and charge exchange (CX) by the GYCAVA code are presented. Here, 3D magnetic perturbations include the ripple field and resonant magnetic perturbations (RMPs). Loss fractions, loss regions, heat loads and steady-state densities of beam ions have been investigated on the EAST tokamak. The steady-state density of co-current perpendicular NBI ions near the edge can be significantly reduced by CX and the ripple field. In the presence of the ripple field, CX enhances NBI ion losses without RMPs, while it can reduce the particle loss of NBI ions with RMPs. This behavior is attributed to the overlap of loss regions induced by 3D magnetic perturbations and CX and the re-ionization (RI) effect. Both CX and RMPs can significantly broaden loss regions on the high-field side (HFS) of NBI ions, leading to increased losses of passing ions born on the HFS. Hit points of lost neutrals are influenced by the direction of the toroidal magnetic field, which is related to the gyromotion of fast ions. CX can significantly mitigate the heat loads of NBI ions in the presence of 3D magnetic perturbations. The mitigation effect, caused by background neutrals, may help reduce fast-ion-induced hot spots near the mid-plane, which can adversely affect the plasma performance in a tokamak. The neutral density at the edge can be enhanced by external gas puffing in experiments. This work provides numerical support for mitigation of heat loads of fast ions near the mid-plane by using external gas puffing.
GYCAVAコードを用いた、三次元（3D）磁場摂動と電荷交換（CX）を伴う2つの中性粒子ビーム入射（NBI）に対するガイディングセンター軌道追跡シミュレーションを提示する。ここで、3D磁場摂動はリップル磁場と共鳴磁場摂動（RMPs）を含む。ビームイオンの損失割合、損失領域、熱負荷、および定常密度がEASTトカマクにおいて調べられた。周辺部近傍の同電流方向垂直NBIイオンの定常密度は、CXとリップル磁場によって大幅に低減され得る。リップル磁場の存在下では、CXはRMPがない場合にNBIイオン損失を増強する一方で、RMPがある場合にはNBIイオンの粒子損失を低減できる。この挙動は、3D磁場摂動とCXによって誘起される損失領域の重なり、および再電離（RI）効果に起因する。CXとRMPの両方が、NBIイオンの高磁場側（HFS）の損失領域を大幅に広げ、HFSで生成された通過イオンの損失増加をもたらす。失われた中性粒子の衝突点は、高速イオンのジャイロ運動に関連するトロイダル磁場の方向によって影響を受ける。CXは、3D磁場摂動の存在下でNBIイオンの熱負荷を大幅に緩和できる。背景中性粒子によって引き起こされるこの緩和効果は、トカマクのプラズマ性能に悪影響を及ぼし得る中央面近傍の高速イオン誘起ホットスポットを低減するのに役立つ可能性がある。実験では、周辺部の中性粒子密度は外部ガスパフによって高められ得る。本研究は、外部ガスパフを用いた中央面近傍の熱負荷緩和に対する数値的裏付けを提供する。