HL-2A 装置上磁岛与湍流相互作用的实验研究

The study on the heat transport caused by the macro-scale magnetohydrodynamic (MHD) instability at a rational surface is helpful to understand the role of the MHD in the formation of an internal transport barrier in magnetically confined fusion plasmas, which is important to sustain high plasma confinement, realize the ignition of the future fusion reactor and self-heated burning plasma, and therefore, becomes one of the most crucial and frontier issues of the present plasma physics study. This project aims at studying the interaction between the macro-scale magnetic island and micro-scale turbulence on HL-2A tokamak, which includes ① studying the profile of transport coefficient across the island by combining the experimental electron temperature profile and transport model, ② by measuring the spectrum of turbulence to study the nonlinear interaction and energy transfer between the island and turbulence, and ③ studying the effect of island width on the interaction effect between the island and turbulence, and further exploring the nonlinear interaction and dynamics between the magnetic island width, pressure gradient, plasma toroidal flow, and turbulent transport.

研究磁约束聚变等离子体中有理面附近的宏观磁流体力学不稳定性（MHD）引起的输运现象有助于理解MHD在内部输运垒形成中所起的作用。这对维持等离子体的高约束性能，实现未来聚变堆点火和自持燃烧具有重要的意义，是目前等离子体物理研究领域的热点前沿课题之一。本项目拟在HL-2A托卡马克装置上开展关于宏观尺度的磁岛与微观尺度的湍流之间的相互作用的实验研究，主要包括：①将实验测量的温度分布与输运模型相结合分析磁岛附近输运系数的分布，②测量湍流谱的分布，研究磁岛与湍流之间的非线性相互作用以及能量在磁岛与湍流之间的传递方向，③研究磁岛宽度对磁岛与湍流之间相互作用的影响，并进一步探索磁岛宽度、压强梯度、环向等离子体流分布和湍流输运四者之间的非线性相互作用及演化过程。

近年来，随着诊断技术的提高和物理研究的不断深入，人们发现撕裂模磁岛与湍流之间存在密切的联系并会影响等离子体输运和约束，撕裂模与湍流相互作用已成为磁约束聚变研究的一个重要课题。. 本项目分别在HL-2A和J-TEXT装置上研究了旋转和静态撕裂模对等离子体流和湍流的影响，包括（一）欧姆加热下2/1 撕裂模对等离子体垂直流和密度涨落的影响——结果表明在磁岛内等离子体流和流剪切都非常低，而在磁岛边界形成了强烈的流剪切；密度涨落幅度在磁岛内降低而在岛边界增加，这与岛内外温度梯度的变化趋势一致，说明磁岛区域的湍流主要是由压强梯度驱动的；磁岛区域的垂直流速度、流速度涨落和密度涨落均被磁岛的旋转频率调制。（二）NBI 加热下1/1 撕裂模对电子温度涨落的调制作用——结果显示旋转的1/1 磁岛会调制电子温度涨落水平，且该调制具有两个特征：（1）仅当磁岛宽度大于一定值(10ρ_i)时才可观测到；（2）仅发生在磁岛内部。实验证据显示这种调制行为主要是由于磁岛X 点和O 点之间电子温度梯度的差异引起的。在大磁岛条件下，首次观测到横越磁岛区域的湍流非线性扩散效应。针对磁岛区域的湍流驱动机制和湍流扩散效应，分别进行了回旋动理学模拟，模拟结果与实验结果基本吻合。（三）欧姆下2/1 撕裂模对等离子体芯部准相关模的影响——结果表明当磁岛宽度大于一定阈值时，在磁岛外侧出现频率带宽为几十千赫兹的准相关模（QCM）湍流。磁岛的旋转会调制这些QCM 的幅度，当磁岛O 点经过时QCM 幅度最大，当X点经过时QCM 辐度最小。QCM 的激发依赖于一定的温度梯度阈值。（四）利用共振磁场扰动（RMP）激发静态2/1磁岛，研究静态撕裂模对等离子体流和湍流的影响。改变RMP 相位时，例如在磁岛O 点和X 点下，等离子体环向旋转和垂直旋转速度无明显区别，但在O点密度扰动水平远低于X 点，这说明磁岛区域的湍流主要是由压强梯度驱动，这与旋转磁岛下的结果一致。. 本项目研究对理解撕裂模物理、在未来聚变装置上发展有效的撕裂模控制手段和维持等离子体的高约束性能非常重要。