边界偏压对撕裂模控制机制的研究

The Magnetohydrodynamic (MHD) instabilities, such as tearing mode, can lead to the reduction of the constraint level of a magnetic confinement fusion device. How to control them is a key issue for the magnetic confinement fusion research. Recently, it is observed on J-TEXT tokamak that edge bias-voltage can make influences on the tearing mode (TM) and even suppress it. It indicates that the edge bias-voltage can be used as a method to control the TM. However, the physics mechanism of the edge bias-voltage impacting the TM is still unclear. In this project, we will develop related experimental research based on the biasing experiments of J-TEXT device to investigate the physics mechanisms. The main contents are: 1. Analyse the abnormal viscous time of plasma flow and compare with the TM response time to the edge bias-voltage. 2. Research the temporal-spatial evolution of flow shears and TM with the bias-voltages and explore the function of flow shear in the bias-voltage controlling TM process; 3. Analyse and compare the effects of poloidal and toroidal flow shear on the TM and the temporal- spatial scale relationship between the shears and the TM. Through the implementation of this project, it is expected to understand the mechanisms of the edge biasing-voltage on the TM and achieve the purpose of effective controlling TM by the edge bias-voltage.

撕裂模等磁流体（MHD）不稳定性会降低磁约束聚变装置的约束水平，如何控制MHD不稳定性一直是磁约束聚变研究的重要课题之一。最近J-TEXT托卡马克上观察到边界偏压可以影响甚至完全抑制撕裂模，该结果表明边界偏压可作为一种控制撕裂模行为的有效手段，然而迄今为止，对偏压影响撕裂模的物理机制并不清楚，本项目拟在J-TEXT装置偏压影响撕裂模实验基础上进一步研究其物理机制，研究内容包括：1.分析等离子体流反常粘滞时间，并与撕裂模对偏压的响应时间对比；2.系统研究偏压作用下流剪切和撕裂模的时空演化，探索流剪切在偏压控制撕裂模过程中的作用；3.分析并比较极向和环向流剪切对撕裂模的影响，以及二者与偏压影响撕裂模的时空尺度之间的关联。通过该项目的实施，探索并深入理解偏压对撕裂模影响的时空过程及物理机制，从而达到通过边界偏压有效控制撕裂模的目的。

撕裂模等磁流体（MHD）不稳定性会降低磁约束聚变装置的约束水平，如何控制MHD不稳定性一直是磁约束聚变研究的重要课题之一。最近J-TEXT托卡马克上观察到边界偏压可以影响甚至完全抑制撕裂模，该结果表明边界偏压可作为一种控制撕裂模行为的有效手段，然而迄今为止，对偏压影响撕裂模的物理机制并不清楚，本项目基于J-TEXT装置偏压影响撕裂模的实验结果，进一步研究其物理机制，研究内容包括：(1) 分析等离子体流反常粘滞时间，并与撕裂模对偏压的响应时间对比；(2) 系统研究偏压作用下流剪切和撕裂模的时空演化，探索流剪切在偏压控制撕裂模过程中的作用；(3) 分析并比较极向和环向流剪切对撕裂模的影响，以及二者与偏压影响撕裂模的时空尺度之间的关联。. 针对上述研究内容，经过近三年的研究，主要结果如下：. 1.对J-TEXT托卡马克装置中边界环向流粘滞的研究发现，其粘滞系数是高度反常的，约为经典粘滞系数的67倍，是新经典粘滞系数的4倍，反常粘滞时间约为1.5 ms；根据动量平衡方程分析发现边界等离子体动量驱动项主要来源于湍流驱动和偏压电流驱动，而阻尼项主要是新经典环向粘滞和中性粒子阻尼。. 2.通过统计研究发现，2/1撕裂模的饱和磁岛宽度与等离子体环向流幅度相关性更强，这意味着偏压影响撕裂模的过程是通过偏压电流驱动等离子体环向流来实现，而非通过驱动流剪切。该结果表明可通过改变环向流来致稳撕裂模。. 3.针对不同偏压极性对湍流特征影响的研究表明，正负偏压抑制湍动粒子输运通量的机制存在非常大的差异，其中负偏压主要是通过偏压产生较大的径向电场剪切，该剪切直接将湍流结构撕碎，降低了湍流幅度从而抑制了湍流输运；正偏压作用下，径向电场剪切有所增强，湍流（电势涨落）也有一定程度增加，导致边界雷诺协强及其梯度增强，从而激发长程相关结构，长程相关结构的产生引起了湍动输运的下降。该部分的研究表明撕裂模对偏压快速响应过程可能与湍流对撕裂模的作用有关，这将是后续研究重点关注的方向。