托卡马克芯部等离子体转动的间接驱动和调制实验研究

The magnetic confinement fusion is one of the most possibility to achieve the peaceful use of nuclear fusion energy。The advanced operation scenario in the magnetic confinement fusion devices(tokamak) is high confinement mode(H-mode). Plasma rotation is of particular concerned as the very important role in the formation of H-mode, and has become the forefront of the tokamak plasma physics research. How to estimate and drive plasma rotation has also become an important topic in the fusion research. This project intends using the bias electrodes driven edge plasma rotation in J-TEXT tokamak, as the momentum driving source, to indirectly drive and modulate core plasma rotation through momentum transport, and to carry out the experimental study of plasma rotation. The Experiments will control the edge plasma rotation speed by the bias voltage between the electrode and the vacuum chamber wall(limiter), where the electrode is inserted into the outermost closed magnetic surfaces. Then through the rotation diagnostic techniques, the changes of the core plasma rotation speed are measured. Based on the measurements, The momentum transport prosesses between different regions are analyzed. This project has practical significance on understanding the tokamak plasma rotation mechanism and momentum transport processes, and to explore methods to control the plasma rotation

磁约束核聚变是实现核聚变能源和平利用的最有可能性的方式之一。磁约束核聚变装置托卡马克先进运行状态为高约束模式。等离子体转动被认为在H模形成过程中扮演了非常重要的角色，已经成为托卡马克等离子体物理研究的前沿问题之一，如何估计磁约束聚变装置中的等离子体转动速度和驱动等离子体旋转是聚变研究中的重要课题。本项目计划在J-TEXT托卡马克装置上采用偏压电极的方式驱动边界等离子体转动，将其作为动量驱动源，通过动量输运方式间接驱动和调制芯部等离子体转动，开展等离子体转动相关的实验研究。实验将通过在伸入到最外层闭合磁面以内的电极与真空室壁（限制器）之间加上偏压，控制托卡马克边界等离子体转动速度，并通过各种转动诊断技术对芯部区域的等离子体转动变化进行测量，分析不同区域间的转动动量的输运过程。该实验研究对了解托卡马克等离子体转动机制和动量输运过程、探索控制等离子体转动的方法具有现实意义。

磁约束核聚变是实现核聚变能源和平利用的最有可能性的方式之一。磁约束核聚变装置托卡马克需要在高约束模式下稳态运行,而等离子体转动被认为在约束改善及不稳定性抑制过程中扮演了非常重要的角色，已经成为国际热核聚变实验装置（ITER）稳定运行中的关键之一。而与磁约束聚变装置中等离子体转动密切相关的环向动量输运和本征转动研究是聚变物理研究的前沿问题之一。本项目首先在J-TEXT托卡马克装置上采用偏压电极的方式驱动边界等离子体转动，获得偏压电极的伏安特性曲线以及电极电流驱动边界等离子体转动特性。接着通过周期性变化的偏压电极电流调制边界等离子体环向转动，研究了边界等离子体环向转动调制芯部等离子体环向转动的实验现象,分析边界环向转动扰动量向芯部区域扩散的过程，在J-TEXT装置上首次获得环向动量扩散系数和对流速度，结果表明了反常的环向动量输运过程。随后，为了分析反常环向动量输运的机理，利用复合型静电探针研究了边界主粒子湍动动量输运过程，确定了雷诺协强项占主导的湍动动量输运过程，并进一步对比分析了正负偏压产生的径向电场Er剪切对局部湍动输运抑制的作用。本项目最后还利用特定的偏压条件将边界等离子体转动置零，定量研究了残余协强与本征力矩间的关系，为“残余协强可以扮演本征动量源的角色来驱动本征转动”这一理论预言提供了直接的实验证据。本项目采用偏压电极驱动转动从而研究磁约束等离子体转动性质的方案在国内并不多见，升级后的偏压电极系统已经成为J-TEXT装置上高效的调制工具，协助完成了多项与等离子体转动相关的研究工作，为磁约束等离子体转动机理研究提供了实验参考。