EAST托卡马克三维磁拓扑条件下边界等离子体输运行为及其机理研究

In ITER the heat flux on divertor plate caused by the type-I ELM greatly exceeds the limitation (10 MW per square meter) of material in the steady-state case, consequently, how to control ELM and decrease the target heat load has grown up to be a critical issue for the steady-state operation in ITER. Nowadays controlling ELM through changing the edge magnetic topology by RMP and LHW is a research hotspot, because it can create new exhaust channels for particle and energy, and then the heat flux generated by ELM can be reduced. This project, based on the platform of EAST tokamak, will develop a series of ELM control experiments to study the dependence of ELM control effects on some key parameters and the edge plasma transport during these processes, including the edge radial transport induced mainly by turbulence, the heat and particle deposition patterns at divertor target. The experimental observations will be further investigated via the simulation of a large three-dimension code — EMC3-Eirene, to reveal the mechanism of edge plasma transport during the process of ELM control. Complete understanding of the three-dimension physics in the ELM control experiments via RMP and LHW, especially the mechanism of heat and particle transport, will be of great benefit to the control of target heat load induced by ELM and facilitate the realization of high performance and long pulse H-mode on EAST, which provides a significant reference for the steady-state operation of ITER and future fusion reactors.

I型ELM给ITER偏滤器靶板带来的超高热负荷远超10兆瓦每平方米的稳态热流极限，控制ELM和降低靶板热负荷已成为ITER稳态运行必须解决的关键问题。利用共振磁扰动（RMP）线圈和低杂波（LHW）等手段改变边界磁拓扑结构，产生新的粒子和能量排出通道，缓减ELM带来的靶板热负荷，已为近年来的研究热点之一。本项目依托EAST托卡马克，开展RMP和LHW控制ELM的物理实验，研究ELM控制效果对关键参数的依赖，以及控制ELM过程中边界等离子体的输运行为，包括由湍流主导的边界等离子体径向输运与靶板粒子流和热流的沉积行为，并结合磁力线追踪程序和大型三维程序EMC3-Eirene研究改变磁拓扑结构控制ELM的内在输运机制。深入理解RMP和LHW控制ELM的三维物理，特别是粒子和能量的输运机制，有助于主动控制ELM引起的靶板热负荷和实现EAST长脉冲高参数H模，对ITER的稳态运行有重要意义。

控制I型ELM及其带来的超高热负荷是磁约束聚变界必须解决的一个难题。采用三维场改变边界磁拓扑结构来控制ELM是一个有效的手段，但ELM控制过程中的边界等离子体输运机理并不完全清楚。本项目系统研究了三维场作用下的边界等离子体输运机制，在边界诊断研制和物理研究两个方面取得了一系列成果，具体如下：完成对GPI诊断的光路系统改造，大幅提高成像光强和系统时间分辨率；研制成功限制器探针，测量刮削层等离子体三维结构；发现n=1 RMP缓减ELM时边界宽谱湍流增强并驱动了向外的输运，在n=4 RMP抑制ELM过程中低频湍流主导了边界径向输运，提供持续的粒子排出，在维持较好等离子体约束性能的同时避免了ELM的爆发；证实了RMP控制ELM的过程中，边界径向电场存在显著的三维不对称性，并且受到旋转RMP的调制；自主创新研制定向电子探针，直接测量了低杂波电流丝的空间结构，发现其对等离子体密度和边界安全因子有强烈的依赖关系，电流丝的径向宽度约为30mm，峰值高达30A/cm2，单根电流丝携带电流接近300A，单个低杂波天线形成的多根电流丝能够产生足够强度的边界磁扰动对ELM进行控制；进一步利用EMC3-Eirene模拟了低杂波电流丝产生的磁扰动谱形，发现其造成的磁拓扑结构改变与偏滤器靶板的粒子流footprint一致，通过超声分子束注入能够显著改变低杂波电流丝对应磁通管内的粒子流和热流，是主动控制靶板热流的一个手段；基于ERGOS程序，完成了EAST中平面高m线圈的物理设计，其扰动谱具有高极向模数和宽环向模数的特征，有扩展控制ELM运行区的潜力；发现W7-X三维磁岛偏滤器位形下边界存在两种典型的湍流输运模式，在磁岛中心区域由宽谱湍流主导，而在最外闭合磁面与磁岛之间由低频间歇湍流主导。本项目共发表SCI论文23篇，其中一区论文11篇，申请发明专利7项，参加国际学术会议7次（做3次口头报告），培养博士生6名，硕士生1名。本项目发现的三维场控制ELM过程中边界等离子体输运机制，对于EAST和ITER进一步优化ELM的控制方法具有重要意义。