EAST托卡马克边缘局域模与湍流的实验研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songsiliang
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未来聚变堆(如ITER和CFETR)的主要运行模式是伴随有边界局域模(edge localized mode,ELM)的高约束模(H-mode)等离子体。ELMy H-mode的边界输运垒,也通常被称为台基(pedestal),保证了高的等离子体约束,但同时陡峭压强和电流密度梯度会触发ELM不稳定性,引起巨大的瞬态热负荷,可能对装置的安全运行造成极大风险。过去十年的研究表明,台基输运和台基结构的形成仍然由湍流主导。而台基结构本身也影响ELM特征,因此台基湍流、台基结构和ELM这三者相互关联,对它们的研究有利于进一步理解ELMy H-mode的边界物理。另一方面,通过外界手段主动控制ELM也是未来聚变堆的重要课题,如共振磁扰动场(resonant magnetic perturbation,RMP)是其中一种非常有效的主动控制手段。已有一些证据表明台基湍流在RMP控制ELM的过程中扮演重要角色。本论文主要基于EAST上的微波反射仪诊断,首先研究了 ELMy H-mode的台基湍流及其对边界参数的影响,然后进一步对ELM控制实验(包括RMP和充气加料)等离子体的台基湍流、台基结构和ELM进行了研究。在Ⅰ类ELM的inter-ELM期间,发现了一种40~110 kHz的具有多频率分支的相干模,并对其中两个频率分支进行了研究。其中85~110 kHz的相干模是电磁相干模,环向模数n=-7,低场侧中平面处的局域极向波数kθ=-0.3 cm-1,实验室坐标系下在电子逆磁漂移方向旋转。研究表明这可能是一种由台基密度或密度梯度驱动的不稳定性。ELM崩塌后约5 ms,该电磁模开始出现,导致台基密度恢复速度明显放缓,暗示该电磁模可能驱动向外的粒子输运。另外一支频率约75 kHz的模式主要在磁涨落上观察到,而在密度涨落上较弱,其环向模数n=-3。研究发现台基温度在inter-ELM后期的饱和与该模式密切相关,暗示其可能引起了电子热输运。利用8通道O模极化的相关反射仪在EAST装置上观察到台基梯度区激发的不稳定性能够传播到SOL区。目前主要发现了两个例子。第一个例子是台基梯度区激发的一种40~90 kHz的电磁相干模。当模的幅度足够大时,SOL区的反射仪就能明显观察到同样的模式。而随着模幅度的增加,上外靶板的粒子流有效沉积宽度随之增加。另外一个例子是一支约230 kHz的高频模同时存在于台基梯度区和SOL区,由于台基区的模幅度更强,推测这支模式发源于梯度区,然后传播到SOL区。以上实验观察初步验证了 BOUT++模拟预测:台基梯度区激发的湍流可以传播到SOL区,增强SOL区的横向输运,增加靶板热和粒子沉积宽度。在ELMy H-mode等离子体中加入n=4的RMP,ELM频率升高了原来的2.7倍,幅度下降,并观测到了明显的密度排出现象和储能的下降。电子密度台基的宽度和梯度随着RMP加入而逐渐下降,同时在inter-ELM期间,观测到台基梯度区出现频率范围约为20~115 kHz的宽谱密度涨落和磁涨落。研究发现,这种宽谱湍流出现期间,台基密度的增长率减小,密度甚至出现下降,而同时偏滤器靶板探针观测到到达偏滤器靶板的粒子流增加。这表明这种宽谱台基湍流可能驱动了向外的粒子输运,引起密度排出效应。最后,讨论了 RMP缓解ELM期间出现的宽谱湍流在ELM控制中所起到的作用。在中性束注入和低杂波加热条件下,通过不断增加氘气充气量,逐炮改变等离子体密度,在EAST上获得了归一化密度从0.4到0.8的ELMy H-mode等离子体。等离子体热内能(Wth)随密度的升高而下降。对密度和温度分布的分析表明,台基压强高度随着密度升高没有明显变化,但是芯部压强在高密度下明显降低,进而导致Wth的下降。而芯部压强的降低主要是由于芯部电子和离子温度峰化度的降低。随着密度升高,Ⅰ类ELM频率升高,幅度下降,ELM间隔周期变得更不规律。在等离子体芯部,均观察到锯齿的存在,但是不同密度下锯齿特征发生明显变化,并且锯齿反转面随着密度的升高逐渐靠近磁轴,意味着q=1面逐渐缩小。未来计划通过集成模拟程序对该实验中的等离子体进行输运模拟,理解芯部约束下降的物理机制。
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