EAST托卡马克局域扰动磁场对边缘等离子体湍流-带状流系统影响的实验研究

Recently, the control effect（such as suppression,mitigation, and pacing） by RMP coils on ELMs have been paid more and more attention in the field of magnetic confinement fusion. However, the exploration to the RMP's working mechanism on ELMs is still in its infancy. Despite some theoties and models have been proposed, a full explaination of the many phenomena is not yet acquired. The use of RMP on ITER and future fusion reactors for effective ELMs control remains uncertain, and in-depth study on its working mechanism is thus urgently desired. Moreover, a lot of theoritic ,numerical and experimental results predicate that evolution of drift wave turbulence-zonal flow system plays an important role during the L-H transition. Exploration of the ZF variation in the presence of magnetic perturbation and its effect on the L-H transition is of great significance for the feasibility of H mode regime operation in ITER's initial stage with RMP coils. In this program, relying on the national science and engineering of EAST superconducting tokamak device and focusing on the above-mentioned key issues, with the design and employment of a compact local magnetic perturbation coil, we plan to study the effect of magnetic perturbation on plasma turbulence behavior especially the property of zonal flow systematically in tokamak edge pedestal region,and then summarize experimental results with variant magnetic perturbation and key plasma parameters, aiming to reveal the inside potential physics combined with the present theories and modellings.

近年来，共振磁场扰动（RMP）对边界局域模（ELMs）的控制作用越发受到国际磁约束聚变领域的广泛重视。然而，探索RMP对ELMs作用机理的工作仍处于起步阶段。RMP能否用于ITER及今后的反应堆中实现ELMs的有效控制，迫切需要深刻了解相关潜在物理。此外，漂移波湍流-带状流系统行为特征演化在L-H转换中所起的关键作用已经被众多理论、模拟和实验结果所证实，而在扰动磁场条件下研究带状流行为的变化及其对L-H转换的影响，对于预测ITER建成初期在存在RMP的条件下进入H模运行状态的可进性具有重要意义。本项目将围绕上述ITER关键问题，依托国家大科学工程EAST全超导托卡马克装置，设计并使用结构紧凑的局域磁场扰动线圈，就扰动磁场对托卡马克边缘台基区域附近等离子体湍流尤其是带状流行为的影响展开系统实验研究，通过总结不同扰动磁场和等离子体关键参数下的实验结果并结合已有理论模型，深入探索潜在物理机制。

在ITER和未来反应堆装置而言，边界局域模（ELMs）爆发所携带的巨大瞬态热流和粒子流，将远远超过耙板材料的承受能力。因此，如何有效抑制或缓解ELMs爆发，成为当前磁约束聚变研究领域的关键问题。.利用共振磁场扰动（RMP）线圈在等体边缘产生三维扰动场，进而有效抑制或缓解ELMs，已在国际多个托卡马克实验装置得到验证，且该方案也计划用于ITER。然而，可预见的是，安装在装置内部、尽可能贴近等离子体的RMP线圈在ITER或者未来反应堆中的使用必将面临诸多工程困难，其寿命也将受到包括强烈中子辐照环境等因素的挑战。.因此，本项目的重要立意之一是，探索可否采用结构非常紧凑的线圈产生局域的三维磁场扰动，进而对EAST装置上的ELMs行为产生影响。而具体实验表明，使用本项目组自行设计、安装的紧凑型线圈产生磁场扰动，或是采用仅对EAST最新安装的全局RMP线圈阵列中少部分线圈进行供电，均无法在驱动电源最大输出能力范围内对ELMs行为产生影响。原因可能是局域线圈所产生的RMP具有非常宽的环向/极向谱，致使其在托卡马克边缘区域的共振分量很小，无法对等离子体分布和涨落行为产生显著影响，从而不可能有效实现对ELMs的控制。换言之，利用较少的线圈实现ELMs的控制，可能需要更为庞大的扰动场强度（线圈电流）。.然而，我们观测到低杂波（LHW）可以在EAST刮削层区域产生螺旋形电流带，进而在等体边缘产生显著RMP效果，因此能够有效缓解ELMs。这是一种极具吸引力的新型ELMs控制手段，LHW天线的紧凑性使得其相比于RMP线圈阵列更加容易维护，而其所驱动的刮削层电流带及相应产生的RMP效果却具有高度的全局性和共振特征，从而能够有效控制ELMs行为。在本项目支持下，我们对该课题进行了深入分析，并总结出一系列实验规律。这些研究成果，加深了对潜在物理机制的理解，并为下一步研究的开展提供了重要参考。.最后，在最近EAST实验中我们观测到RMP导致高约束-低约束模式转换（H-L转换）发生，并在L模阶段的磁信号中观测到疑似侧低声模的存在和演化。然而，遗憾的是，由于缺乏必要边缘等体扰动诊断数据，目前尚不能对RMP阶段湍流和带状流行为特征，及其对L-H转换、ELMs行为等现象的具体影响开展系统研究工作。