HL-2A/M装置上BAE不稳定性的实验研究

In ITER, the energetic alphas are not only self-heating source, but also can excite the Beta induced alfven eigenmode (BAE). BAE will cause large loss of energy and energetic particles,and which are very harmful for the plasma confinement and even destroy the first wall. In addition, BAE will redistribute the energetic particles, influence the profile of driven current and impact on the other MHD modes significantly. BAE is a hot issure currently. Abundant BAE instabilities which are excited by energetic particles had been observed on HL-2A, rencently, for example, BAE mode excited by energetic beam ions; single BAE mode excited by energetic electrons during low power ECRH, and coexistance of multi-BAE modes and the broadening of their frequencies during high power ECRH; BAE mode excited by circulating electrons and BAE induced by tearing mode during Ohmic plasma and so on. It is very important to to investigate the different mechanisims of the single BAE instabilites which are excited by the energetic trapped electrons during ECRH and by the energetic circulating electrons during Ohmic or LHCD heating, respectively, to confirm the structures of the multi-coexistenced BAE modes and to search the effect of BAEs on the loss, redistribution and transportation of energetic particles and energy on experiment.

在ITER中，高能α粒子除了自持加热外还可能驱动BAE不稳定性。BAE会引起等离子体大的能量和快粒子损失，使等离子体约束变坏，甚至毁坏第一壁。除此之外，BAE还会再分布高能粒子，影响驱动电流的分布，对其它磁流体不稳性产生影响。最近，在HL-2A装置上观测到了由高能粒子激发的丰富的BAE现象：如，在NBI加热期间由高能离子激发的BAE；在小功率ECRH加热期间由高能电子激发的单支BAE，以及在大功率ECRH加热期间的三支BAE共存且频谱展宽的现象；甚至在欧姆加热条件下由高能通行电子激发的BAE，以及撕裂模导致的BAE现象等。本课题将在实验上重点对比分析在ECRH和在欧姆（或者LHCD）加热条件下分别由高能捕获和通行电子激发的单支BAE模，研究BAE模不同的激发机制；确定大功率ECRH加热条件下多模BAE的模结构，揭示其激发机制；阐明BAE模对能量和高能粒子损失、再分布以及输运的影响等。

在磁约束聚变装置上，由电子回旋共振加热/电流驱动（ECRH/ ECCD）和低混杂波电流驱动（LHCD）等方式产生的高能量电子可以激发鱼骨模（fishbone）、比压阿尔芬本征模（BAE）、能量粒子模（EPM）和环向阿尔芬本征模（TAE）等多种磁流体不稳定性。高能量电子的小轨道特征可以被用来模拟ITER装置上燃烧等离子体中的阿尔法粒子行为，为ITER物理提供重要的实验依据。在HL-2A装置上大功率ECRH/ECCD和LHCD加热/驱动条件下开展的了如下实验研究：.首次发现了LHCD条件下高能量电子激发的两支传播在电子逆磁漂移方向的频率和极向/环向模数（m/n）分别为9-12和15-17 kHz m/n=3/1和5/2的BAE。这两支BAE的激发与LHCD的驱动功率以及高能量电子的分布有关。通过对电子回旋辐射非热辐射的相对论频率下移效应得到了激发BAE的电子能量；在大功率离轴ECRH加热条件下的等离子体电流下降阶段，发现了随等离子体电流分布的变化而连续出现不同模数的m/n=2/1、3/1、4/1和5/1等BAE不稳定性；还利用微波干涉诊断和阿尔芬本征模程序（AMC）分别测量和计算了BAE的径向模结构，首次得到了BAE的模结构。除此之外，还对BAE进行了理论研究。.在等离子体电流爬升和大功率ECRH和ECCD共同作用下，非共振鱼骨模（NRF）和双鱼骨模不稳定性被首次发现。NRF通常具有基本饱和不变的幅度和频率，并且可以持续较长的时间。NRK的激发条件为：弱或者反磁剪切，并且最小安全因子稍大于1。利用HL-2A的数据对内扭曲不稳定性的色散关系解析，得到了包括NRF在内的内扭曲模的模结构、频率和增长率等，并且计算结果与实验结果相符。.在大功率ECRH加热条件下，高能量电子激发的频率在160-380 kHz的n=4的TAE也被首次观测到。TAE的频率和阿尔芬速度成正比。利用AMC代码可以确定该不稳定性为TAE，并且具有n=4，m=4和5的模结构，局域在ρ=0.35的位置。通过对电子回旋辐射非热辐射的相对论频率下移效应计算可知：TAE由能量为150-230 keV的高能量电子激发。.这些研究成果为ITER装置ECRH/ECCD启动，混杂运行模式下因ECRH/ECCD和LHCD加热/驱动产生的各种不稳定性激发和控制进行预演，为ITER的运行提供重要的实验依据。