Non-axisymmetric magnetic perturbations contribute to the transport of fast ions in tokamaks. While knowledge of the perturbed magnetic topology suffices for characterizing the displacement of thermal particles (few keV), the trajectories of fast particles (0.1–few keV) vary depending on their charge, mass, kinetic energy and velocity pitch. The computational effort needed to follow the drift orbits for a large number of phase space samples (as done in Monte Carlo simulations) is too high for scenario simulators, so it is necessary to develop computationally efficient reduced models. In this paper, we present a method that allows to estimate the locations, widths and overlaps of resonant drift orbit islands in the guiding center phase space of passing fast ions with small computational effort. The new method constitutes a significant improvement over the method presented in our previous work (Shinohara K. et al 2018 Nucl. Fusion58 082026), both in performance and in accuracy. This is achieved by deriving an expression for the drift orbit island width from the perturbed guiding center velocity in the straight-orbit coordinates of the unperturbed drift surfaces and eliminating the need for computationally expensive Poincaré maps. When applied to resonant magnetic perturbation fields in a KSTAR tokamak plasma, our new estimates for the island widths are shown to agree with Poincaré maps from orbit-following simulations to within 15%. The island positions and the chaotic regions caused by island overlaps also agree well.
非軸対称磁場摂動は、トカマクにおける高速イオンの輸送に寄与する。熱的粒子（数keV）の変位を特徴付けるには摂動磁場トポロジーの知識で十分であるが、高速粒子（0.1〜数keV）の軌道は、その電荷、質量、運動エネルギー、および速度ピッチに依存して変化する。多数の位相空間サンプルに対するドリフト軌道を追跡するために必要な計算コスト（モンテカルロシミュレーションで行われるように）は、シナリオシミュレータにとって高すぎるため、計算効率の高い縮約モデルを開発する必要がある。本論文では、小さな計算コストで通過高速イオンのガイドセンター位相空間における共鳴ドリフト軌道島の位置、幅、および重なりを推定する手法を提示する。この新手法は、性能と精度の両方において、我々の以前の研究（Shinohara K. et al 2018 Nucl. Fusion58 082026）で提示した手法からの大幅な改善である。これは、非摂動ドリフト面の直線軌道座標における摂動ガイドセンター速度からドリフト軌道島幅の式を導出し、計算コストの高いポアンカレ写像の必要性を排除することによって達成される。KSTARトカマクプラズマにおける共鳴磁場摂動に適用した場合、島幅の新たな推定値は、軌道追跡シミュレーションによるポアンカレ写像と15%以内で一致することが示される。また、島の位置および島の重なりによって生じるカオス領域もよく一致する。