EAST托卡马克上非共振磁制动研究

Non-resonant magnetic braking induced by Neoclassical Toroidal plasma Viscosity (NTV) torque is one of the fundamental effects appearing during the application of Resonant Magnetic Perturbations (RMPs) for control of Edge Localized Modes (ELMs) in low collisionality regimes in tokamaks. In this project, non-resonant magnetic braking will be studied experimentally using the flexible in-vessel RMP coil system in the EAST tokamak. Momentum transport will be employed for evaluation braking torque density profile. RMP mode number and spectrum, plasma beta, collisionality and rotation effects etc on the braking torque density profile will be studied in details and compared with the NTV torque density profile modeled by NTVTOK code we developed before. This will strengthen the understanding of non-resonant magnetic braking mechanism and its relationship to ELM control. It will also be applied for the validation of NTV theory via the observations in the EAST tokamak. The characteristics of Radio-Frequency wave dominant heating with low torque injection in long pulse operation in EAST provides a unique platform for this study, especially for the search of ‘electron root’ steady state flow predicted in our previous modeling results of NTV in low collisionality regime, which is potentially a new method for controlling plasma rotation profile and driving plasma rotation using RMP in low torque injection plasmas in future fusion reactor.

新经典环向粘滞力矩引起的非共振磁制动是在低碰撞率区运行的托卡马克中使用共振磁扰动控制边界局域模过程中观察到的最重要的物理效应之一。在本项目中，我们计划将在EAST托卡马克上利用其灵活的共振磁扰动系统开展非共振磁制动实验研究;采用动量输运分析计算磁制动力矩分布;详细研究共振磁扰动模数和谱型、等离子体比压、碰撞率和旋转等效应对磁制动力矩分布的影响;并和我们的NTVTOK程序模拟的新经典环向粘滞力矩分布进行对比。这将有助于理解理解非共振磁制动的机理以及和边界局域模控制的关系，同时，也利用EAST上的实验结果检验新经典环向粘滞理论的有效性。EAST托卡马克射频波加热为主低动量注入长脉冲的实验运行能力，为这一研究提供了独特的条件，特别适合检验我们之前模拟预言的低碰撞率条件下的“电子根”的稳态旋转。这一结果有可能为将来低动量注入的聚变堆提供利用共振磁扰动控制等离子体旋转分布和驱动旋转的一种新方法。

本项目拟依托EAST托卡马克装置，利用灵活的共振磁扰动线圈系统，开展非共振磁制动的相关实验研究，并与新经典环向粘滞（NTV）理论进行对比，理解非共振磁制动的物理机理与利用共振磁扰动调控旋转分布方法，推动新经典环向粘滞理论模型发展与实验验证研究。本项目顺利完成了各项研究任务，得到了预期研究成果。主要研究结果包括：1）拓展了项目负责人开发的NTVTOK程序的模型，利用基于粒子轨道的坐标变换方法，直接求解漂移动理学方程，包含了全环几何效应和反弹共振效应，并进行了检验验证，使其成为可以同时精确模拟共振和非共振的新经典环向粘滞力矩。2）在EAST托卡马克上，开展了不同环向模数的共振磁扰动对等离子体旋转磁制动效应的实验研究。实验验证了离子与共振磁扰动场反弹共振和漂移共振对磁制动的贡献；实验研究了磁制动效应对共振磁扰动谱型的依赖关系，与NTVTOK模拟结果一致；实验观察了共振磁扰动对等离子体旋转加速的作用，理论模拟分析表明其原因是低碰撞率下的电子贡献主导，驱动等离子体旋转超‘电子根’方向加速。NTVTOK模拟再现了DIII-D上的离子根稳态旋转，并模拟研究了‘电子根’存在的可能性。3）除计划的研究任务外，进一步基于新经典环向粘滞理论提出了自发旋转的一种新的物理解释。利用等离子体旋转在稳态旋转解‘离子根’和‘电子根’之间的跳变，成功解释了自发旋转突然反转的实验观察结果。相关研究成果在Nucl. Fusion等杂志发表论文18篇，新NTVTOK模型发展的论文被Phys. Plasmas杂志选为Featured article，获得了IAEA聚变能大会等重要国际会议报告，入选了2019年度中国科学院重大基础设施“面向世界科技前沿”成果等等。