HL-2A托卡马克中E×B阶梯现象的实验探索

E×B staircase is a new kind of E×B shear flow structure recently discovered in tokamaks, which is featured by radially distributed multiple E×B shear layers. It has the capacity of suppressing large-scale turbulent transport, and may contribute to confinement improvement of large tokamak devices in the future. However, experimental studies of this phenomenon are very insufficient. Based on the HL-2A tokamak, this program is proposed to make a combined study of E×B staircase by using a suite of diagnostics which have high spatial-temporal resolution, including the Beam Emmision Spectroscopy (BES), the Fast Modulated Continuous Wavelength Reflectometer, and the Electron Temperature Emission (ECE), which will focus on its existing law and basic characteristics. This study will be the first simultaneous experimental study of multiple key features of E×B staircase, which will effectively enrich the knowledge of this new phenomenon and set a concrete base for further research of its physical mechanism in the future.

E×B阶梯是近年来在托卡马克中发现的一种新型的芯部多层E×B剪切流结构，它能够显著抑制大尺度湍流输运，在未来的大型托卡马克中可能起到改善约束、提高装置参数的关键作用，但目前对这一现象的实验研究还很少。本项目依托核工业西南物理研究院HL-2A大型磁约束聚变装置，通过结合使用束发射光谱、快速扫频微波反射计和电子回旋辐射计等高时空分辨诊断，在国际上首次实现对E×B阶梯多参数、全方位的实验研究。本项目重点探索E×B阶梯的基本规律和特性，其研究将极大丰富对E×B阶梯的基本认识，并为将来深入研究其物理机制奠定坚实的基础。

E×B阶梯是近年来在托卡马卡尔数值模拟中观察到的一种新型的自组织E×B剪切流结构，理论模拟研究预测该结构可能对未来聚变堆的等离子体约束具有重要的改善作用，但目前相关的实验研究还很少。本项目基于HL-2A托卡马克装置开展E×B阶梯相关实验研究，重点探索了E×B阶梯在HL-2A装置上的存在性、基本特征和相关的非局域热输运过程特性，并初步探究了等离子体放电参数对E×B阶梯特征的影响，以及探究了相关的诊断数据处理方法。本项目的主要研究结果包括：1) 国际首次通过结合使用多种先进等离子体诊断，围绕等离子体密度/温度剖面、剪切流和湍流等多方面特性开展综合性研究，获得了HL-2A装置上NBI加热的L模等离子体中存在E×B阶梯结构的有力证据，弥补了目前E×B阶梯缺乏实验存在性证据的不足；2) 依托HL-2A装置，针对不同NBI加热功率、纵场和弦平均密度条件下 E×B 阶梯的存在性开展了探索性研究，获得了不同参数条件对E×B阶梯存在性和基本特征的影响结果，并初步总结了E×B阶梯存在性随上述参数的变化趋势；3) 针对低纵场下FMCW反射计数据处理中存在的问题开展了初步研究，提出了一种改进的数据处理方法，并获得了初步的验证性结果；4) 针对E×B阶梯相关的大尺度、非局域热输运过程，依托HL-2A装置开展了调制ECRH下的电子热流-温度梯度迟滞现象实验研究，发现在较高的ECRH功率/较低的调制频率下存在明显的电子热流-温度梯度迟滞现象。项目执行期间发表SCI论文1篇。.本项目的研究成果对目前国际上对E×B阶梯实验研究的不足有着重要的补充作用。在HL-2A装置上发现的E×B阶梯存在性证据和基本特征，为后续进一步在改善约束模式下研究其特性与形成机理、其与湍流输运间的相互作用机理，以及探究该结构在各类改善约束模式中对提升等离子体性能的作用机制，都奠定了坚实的基础。.