HL-2A装置ECRH缓解和控制边缘局域模的物理机制实验研究

Type-I edge localized modes (ELMs) occurring with High confinement mode (H-mode) lead to periodic expulsion of transient heat loads and particle flux on plasma-facing components and divertor. ELM mitigation is therefore a crucial issue for operation of large tokamaks and is currently at the forefront of worldwide research activity in view of ITER. Meanwhile, the periodic burst of ELM could control density, particularly impurity for the core plasma. It is helpful for plasma confinement improvement. The project is going to study mitigation and control of type-I ELMs by off-axis ECRH on HL-2A. Modulation ECRH will be employed to study the method of pacing ELMs. The influence of different off-axis ECRH power deposition location and injection power on pedestal structures of electron temperature and density and the change of ELMs behavior will be statistically analyzed. The three aspects including toroidal rotation velocity, MHD and turbulence instabilities, and particle transport in pedestal region will be studied in detail to explore the physical mechanism of ELMs mitigation and control by off-axis ECRH. That will provide beneficial reference of type-I ELMs mitigation for ITER in the future.

伴随高约束模式（H模）出现的I型边缘局域模（ELMs）周期性爆发导致的瞬态热量和粒子通量沉积在等离子体面壁材料和偏滤器靶板上，可能会超出它们的承受极限，给装置造成不可估量的损失。而ELMs周期性地爆发可以排出等离子体芯部的杂质和粒子，有助于等离子体约束性能改善和提高。所以缓解和控制ELMs一直是国际上研究的热点问题。本项目将在HL-2A装置上研究通过离轴电子回旋辐射加热（ECRH）缓解和控制I型ELMs，并使用调制ECRH研究同步触发ELMs的实验方法，研究不同功率沉积位置和不同注入功率时ECRH对电子温度和密度台基结构的影响，以及与ELMs行为特性改变之间的关系，从离轴ECRH对边缘等离子体旋转速度、台基区不稳定性和台基区粒子输运等的影响探索离轴ECRH缓解和控制ELMs的物理机制。为将来能在ITER装置上使用该方法缓解和控制I型ELMs提供参考。

伴随高约束模式（H模）出现的I型边缘局域模（ELM）周期性爆发导致的瞬态热量和粒子通量沉积在等离子体面壁材料和偏滤器靶板上，可能会超出它们的承受极限，给装置造成不可估量的损失。而ELM周期性地爆发可以排出等离子体芯部的杂质和粒子，有助于等离子体约束性能改善和提高。所以缓解和控制ELMs一直是国际上研究的热点问题。本项目HL-2A装置上开展了离轴电子回旋辐射加热（ECRH）和低杂波（LHW）注入缓解和控制ELM的物理实验研究。在硬件方面，改进了测量边缘电子温度和密度的汤姆逊散射系统，使其能测量边缘区域6个空间点的电子温度数据，空间分辨约为10 mm，测量周期从33.3 ms降低到20 ms，；升级了电荷复合交换谱系统为快速系统，测量HeII（468.57 nm）和CVI（529.05 nm）电荷交换谱线的时间分辨率分别达到10 kHz和1 kHz。物理实验研究方面，在HL-2A装置上开展了利用离轴ECRH和LHW缓解和控制I型ELM的物理实验，实验发现在离轴ECRH功率逐步沉积到边缘区域的过程中，ELM的爆发周期逐步降低，ECRH不仅能够降低边缘区域等离子体环向旋转速度，也能降低芯部区域的环向旋转速度，环向旋转剪切能够降低高n模的增长率。而HL-2A结果表明同轴环向旋转速度降低增加了ELM的频率，降低的Vt和变平的旋转剪切可能对ELM有祛稳效应。另外在有LHW注入的I型ELM H模放电中，观测到准相干模(QCM)被激发，其特征频率从50kHz到20kHz逐步变化，实验研究发现QCM位于台基区，在上升阶段主要由台基区的电子密度梯度驱动，且QCM能限制台基密度梯度增加，这种限制台基密度梯度增长可能有利于延迟ELM爆发更从而使得放电维持在ELM-free阶段。