低混杂波缓解封闭偏滤器瞬态热流的物理机制研究

Transient heat flux caused by edge localized mode (ELM) will increase the erosion of the divertor target due to the local overheating and reduce the lifetime of the device. Related research shows that the transient heat flux can be mitigated effectively using lower hybrid wave (LHW). This project will be enforced on the physics mechanism study of transient heat flux mitigation using LHW based on HL-2A tokamak, which has closed divertor structure. It will change the pedestal structure, edge current density, rotation velocity of plasmas via modulating the power, parallel refraction index, injection direction of LHW for the purpose of reducing the peak of transient heat flux, increasing the footprint width and splitting the striking point. Furthermore, the simulation also will be performed using BOUT++ code based on the experiment results to understand the underlying physics. The nonlinear simulation of peeling-ballooning mode (P-B mode) with the effect of LHW will be carried out to study the radial transport of the filament structure and calculate the pedestal energy loss rate; the influence of filament structure evolution and pedestal energy rate on the distribution and peak value of the transient heat flux also will be investigated, respectively. The key physics on transient heat flux mitigation using LHW will be explored via combining experiment and simulation closely, which will provide some reference for controlling the transient heat flux of CFETR and ITER.

边界局域模（ELM）爆发产生的瞬态热流会对托卡马克偏滤器造成局部过热，增加偏滤器靶板的侵蚀率，从而减少装置的使用寿命。相关研究表明低混杂波（LHW）可以有效缓解偏滤器瞬态热流。本项目拟通过具有封闭偏滤器结构的HL-2A托卡马克装置，开展LHW缓解偏滤器瞬态热流物理机制研究。通过调节LHW功率、平行折射指数、注入方向等方法改变台基结构、边缘电流密度、等离子体旋转速度等参数，进而降低偏滤器瞬态热流强度、增加热流宽度、实现打击点撕裂。基于实验结果采用BOUT++对其进行模拟和物理分析。模拟LHW作用下的剥离气球模（P-B模）非线性演化产生的丝状结构的径向输运过程及其导致的台基能量损失率，分析丝状结构演化和台基能量损失率对偏滤器瞬态热流分布和强度的影响。通过模拟与实验密切结合，寻找LHW缓解封闭偏滤器瞬态热流的关键物理，为CFETR、ITER等未来聚变装置的瞬态热流控制提供参考依据。

高约束运行模式（H模）是未来聚变实验装置的基本运行模式，但是H模通常伴随边界局域模（ELM）爆发，它将会给偏滤器靶板带来巨大的热负荷，本项目针对该问题主要开展了以下四方面的研究：（1）研究了低混杂波 (LHW) 与等离子体耦合，发现密度是提高LHW与等离子体耦合效率，改变台基结构的关键因素。（2）分析了HL-2A装置台基相干模对偏滤器靶板热和粒子通量再分布的影响。相干模可以增强台基粒子输运，从而改变偏滤器靶板粒子通量的分布特征，此外，它还可以转移打击点附近的低频功率成分，这为偏滤器热流缓解提供了参考。（3）开展了LHW加热缓解偏滤器靶板瞬态热通量的实验物理研究：(a) 通过优化等离子体密度和调节LHW与NBI的功率配比，实现了LHW与等离子体的高效率耦合，在实现高频率小ELM的同时，维持了较高的等离子体约束水平；(b) 在LHW加热下，通过氮杂质辐射偏滤器影响等离子体边缘参数，实现了ELM的有效缓解，并借助辐射偏滤器进一步降低了靶板瞬态热流。（4）在理论模拟方面，基于HL-2A装置实验观察到的现象，开展了密度剖面、离子温度剖面变化对ELM影响的模拟研究，为实验物理理解提供了帮助。模拟主要得出以下几点结论：(a) 较大的压强梯度和边缘电流密度通常可以导致更多的台基能量损失率，且台基能量损失率与压强扰动向芯部延展的深度相关；(b) 增加台基底部密度可以将大ELM转换为小ELM，大幅度减小台基能量损失率和偏滤器靶板瞬态热流强度。这些研究结果将对未来聚变实验堆安全运行在高约束运行模式下提供重要的物理指导。