KTX反场箍缩装置上电磁湍流特性的实验研究

The experimental research of characteristics of turbulence is to understand the physical mechanism to realize high confinement state of magnetic confinement fusion, and to achieve the conditions to control high confinement plasma, aiming for the application of magnetic confinement fusion. The research proposed is to measure the dynamic characteristics of magnetic turbulence and electrostatic turbulence in reversed field pinch configuration, based on which the connection between them will be studied. Also, the spectrum characteristics among different confinement states will be compared, such as conventional reversed field pinch state, enchanced confinement state, and QSH state, so that the conditions to realize higher confinement state could be predicted. The sources that driving magnetic turbulence and electrostatic turbulence will be explored to figure out the wave structrue of those fluctuations. Diagnostic tools with high resolution for fluctuation measurement will be developed to measure the contributions of turbulence with different scales to particle, energy, and current transport in the edge region.

电磁湍流特性研究的共同目的是，理解环形磁约束装置实现高约束状态的物理机制，以掌握最终精确优化控制实现高约束状态的条件，并最终实现磁约束聚变能应用。本研究期望获得在反场箍缩磁约束位型下等离子体中静电湍流和磁湍流的行为特征，并以此为基础，弄清楚静电湍流和磁湍流相互关联的物理机制。在反场箍缩的传统运行模式，约束增强模式和准单螺旋态模式多种运行模式下弄清湍流在这些模式间转变过程中特性的变化，弄清他们在不同运行模式下起到的作用，从而预言新的高约束运行模式的实现条件。研究并探索反场箍缩位型下高频部分电磁湍流的来源，弄清高频小尺度电磁湍流和低频大尺度涨落的波谱结构。发展高分辨率的电磁湍流诊断工具，探索不同尺度的湍流对于粒子输运，能量输运和电流输运的贡献。

电磁湍流特性研究的共同目的是，理解环形磁约束装置实现高约束状态的物理机制，以掌握最终精确优化控制实现高约束状态的条件，并最终实现磁约束聚变能应用。在项目的支持下KTX反场箍缩磁约束聚变平台的运行能力得到优化，等离子体的品质得到提升，关于电磁湍流诊断的先进诊断系统完成了升级，并以此为基础开展了一系列实验研究，同时还和国内外单位开展联合物理实验，在磁约束聚变上电磁湍流及其相关输运的物理机制方面得到关键的诊断数据和分析结果：1) 完成计划中KTX反场箍缩装置上不同磁约束位形的放电运行，实现等离子体参数空间的调控，可以在KTX装置上实现托卡马克位形，超低安全因子位形和反场箍缩位形的灵活运行，并以此为基础开展系列物理实验研究；2) 通过发展边界电场调制、边界磁场调制和等离子体密度调制技术，实现等离子体的电流幅度和放电长度提升以及等离子体的高密度运行，研究了等离子体在不同调控参数下约束变化的机制；3) 完成了项目计划中的诊断建设要求，在KTX反场箍缩装置上发展了多套用于等离子体芯部和边界高频涨落测量的诊断系统，这些诊断用于研究环形磁约束位形下电磁湍流相关的物理问题；4) 获得了不同磁约束位形下的电磁涨落信号的空间谱特征和频率谱特征，研究了输运性质和电磁涨落特征的关系，探索了运行模式、不稳定模式和输运的关联以及作用机制；5) 模拟研究了反场箍缩位形高约束准单螺旋态（QSH）的动力学演化过程和稳态维持机制，基于完整的三维电阻-粘滞磁流体力学模型，获得了撕裂模的时空扰动演化过程，得到QSH态实现的宏观参数阈值条件，并首次基于三维平衡模型研究了静电势在QSH态维持的关键机制。