EAST低再循环无边界局域模的高约束运行模式机理研究

How to effectively control the transient heat load caused by large edge localized modes (ELMs) is one of the most important issues in magnetic confinement fusion research. A new, spontaneously, fully non-inductive low recycling no-ELM H-mode operation regime has recently been observed in the EAST experiment. In this regime, the recycling neutral particles from the wall surface are significantly reduced, and the pedestal fueling effect is weakened, which has a commonality with the expected low pedestal fueling effect on the future reactors. Therefore, it is of great significance to study this new regime in depth. This project research will be based on the previous research, and further clarify the operational parameter space, measure the pedestal fluctuations, the pedestal structure evolution and the constrained behavior of edge impurities under long time scale. It’s helpful to understand the physical mechanism of electrostatic fluctuation spectrum broadening and its effect on particle and heat transport. Combining various numerical simulation codes to study the influence of the change of pedestal structure on the MHD instabilities and the amplitude of ELMs. These studies can remarkably enhance our understanding about the physical processes and mechanisms of low recycling no-ELMs, and provide a useful reference for effective control of ELMs on ITER and next-generation fusion reactor devices (CFETR).

如何有效控制大幅度边界局域模（ELMs）爆发带来的瞬态热负荷问题，是目前磁约束聚变研究的热点问题之一。最近在EAST实验上获得了一种新的、自发的、完全非感应低再循环无ELM运行模式。这种运行模式下壁表面再循环中性粒子明显减少，台基加料效应减弱，这和未来反应堆上预期的低台基加料效应具有共通之处，因此对其进行深入研究具有重要意义。本项目将基于前期研究基础上，进一步明确其运行参数区间；同时观测低再循环条件下台基湍流模式、台基结构演化及长时间尺度下边界杂质的约束行为；理解边界静电涨落频谱展宽物理机制及其对粒子和热输运影响；借助多项数值模拟程序探明台基结构演化对磁流体稳定性及ELMs幅度的作用机理。这些研究工作的有效开展，可以显著提升我们对EAST低再循环无ELM运行模式的物理理解，并且为未来ITER及下一代聚变反应堆装置（CFETR）探索ELMs的有效控制方法提供有益借鉴。

2018年在EAST实验中观察到了一种自发的、长脉冲、稳态无ELM运行模式，这种运行模式强烈依赖于边界低再循环状态，这和未来聚变堆环境下预期的低台基加料效率具有共同之处，因此对其进行深入研究具有重要意义。基于此，本项目依托EAST全超导托卡马克装置，对其上观察到的多种与边界再循环密切相关的小、无ELM运行模式开展了详细的研究。主要研究结果如下：（1）完成了EAST上边界超声氦束诊断改造，实现了台基顶部到刮削层区域的等离子体分布参数及静电涨落的测量；（2）探明了低再循环对台基底部密度及逆磁稳定性效应影响，发现了低再循环可以致稳中环向和高环向模数的PBMs，是ELMs稳定的物理机制；（3）对EAST上杂质注入激发的低再循环无ELM运行模式进行了研究，发现了由杂质辐射冷凝不稳定耦合漂移波激发的“X”点携频震荡是该运行模式获得的关键；（4）使用全域的回旋动理学程序GEM完成了对ECM线性及非线性模拟的研究，发现了非线性过程中ECM主导模数下移的现象，并提出了ECM频谱展宽的物理机制；（5）开展了低再循环、高加热功率及低台基碰撞率下Grassy ELMs的研究，发现在高βp及高边界安全因子下形成的特异的宽台基底部密度分布是该运行模式获得的关键；（6）开展了顺、反场下ELMs行为差异的研究，观察到在顺场条件下Er x B漂移会降低偏滤器区域粒子返流，导致边界再循环水平降低，这有利于波功率更多的沉积在芯部区域，从而起到约束改善的效果；（7）对EAST上偏滤器封闭性开展了研究，发现较封闭的偏滤器结构对脱靶状态获得有益，这和DIII-D实验结果保持一致；（8）对EAST上脱靶过程中边界低频模式开展了详细的研究，探明了由纯Rippling 模及耦合了漂移波后的Rippling模是低频准相干模和低频宽谱涨落的形成机制；（9）最后还发展了一种基于注意力集中机制的卷积神经网络图像特征提取模型（CNN），并对EAST上丰富的边界涨落开展了初步的机器学习研究。该项目的开展对于探索适用于聚变堆环境下的ELM抑制手段，实现小、无ELM的稳态运行具有重要的科学参考意义。