EAST高约束模的台基湍流及其与台基参数关系的实验研究

For present and future fusion devices, a very key problem is how to acquire high confinement plasma. The edge pedestal parameters are essentially important for sustaining high values of plasma confinement time, beta(the ratio between plasma and magnetic pressure) and bootstrp current fraction. It is generally thought that the turbulence and turbulence transport are suppressed in pedestal. However, recent experimental and simulation results show that there exists remnant turbulence in pedestal and these turbulence may control the changes of the pedestal parameters. The profound understanding of the relations between the turbulence and pedestal parameters can help establish the strategies to improve and control these parameters. This proposal will systematically study the pedestal turbulence and inverstigate the relations between these turbulence and pedestal parameters on EAST. EAST, similar to ITER, is a superconductor tokamak with a noncircular cross-section. It has been equipped with various high power auxiliary heating systems and a variety of diagnostics. These facilitate the studies of the pedestal turbulence in plasmas with a broad range of pedestal parameters. In addition, the experimental results will be compared with the simulations performed by the edge turbulence code BOUT++. These studies will have important physical implications for ITER.

对于目前和未来的聚变实验装置来说，如何获得高约束性能的等离子体是非常关键的问题。而边界台基参数对于维持高的等离子体约束时间、高的等离子体磁比压和高的自举电流份额至关重要。一般认为台基内部的湍流和湍流输运被抑制。但最近的实验和模拟结果表明台基内部依然存在剩余的湍流，并且这些湍流可能控制着台基参数的变化。深入理解台基湍流与台基参数的关系可以帮助建立控制和优化台基参数的方法。本项目将在EAST上对台基湍流进行系统研究并深入探索其和台基参数的关系。 EAST是与国际热核聚变实验反应堆（简称：ITER）类似的全超导非圆截面托卡马克装置。其配备有多种高功率的辅助加热系统和丰富的等离子体诊断。这使得我们可以在很宽的台基参数范围内研究台基湍流。同时，该项目将使用BOUT++边界湍流模拟程序与实验测量结果进行对比。这些研究对于ITER具有重要的物理意义。

对于目前和未来的聚变实验装置来说，如何获得高约束性能的等离子体是非常关键的问题。而边界台基参数对于维持高的等离子体约束时间、高的等离子体磁比压和高的自举电流份额至关重要。近年来的实验和理论结果表明，湍流依然是控制台基参数的一个重要因素。在本项目的资助下，我们在EAST上发展了多道极向相关反射仪，测量了EAST高约束模等离子的边界台基区的密度涨落。在低杂波或者中性束加热主导的H模等离子体中，广泛观察到了一种频率随着台基的演化逐渐降低的相干结构，我们称之为相干模(coherent mode)。该模局域于最外分离面(separatrix)里面的台基梯度区，极向波数k_theta=0.5 -0.7 cm-1 (k_theta rho_s=0.12-0.16)，传播方向为电子逆磁漂移方向(装置坐标系下)。该相干模的出现与台基电子压强紧密相连，暗示该模式主要是由压强或压强梯度驱动的一种不稳定性。这种模式的出现能明显降低甚至阻止边界密度的增长，而当这种模式消失后，边界台基密度的高度和梯度都会增加。众多的实验证据表明相干模能够引起台基区向外的粒子输运。在我们所研究的典型等离子体中，相干模贡献的最大粒子通量约占38%。而在离子回旋主导加热的H模等离子体中，等离子体中台基区观察到另外一种谐频模，边界磁探针上也能清晰地观察到此模式，分析表明该模式环向模数为n=-1, -2, -3，负号代表在且在装置坐标系下在电子逆磁漂移方向旋转。在台基演化过程中，该谐频模的频率较稳定。在台基压强较高的H模等离子体中，反射仪测量的inter-ELM之间的密度涨落通常是宽谱，极向模数k_theta=0 – 3 cm^-1，实验室坐标系下在电子逆磁漂移方向旋转。研究表明台基电子压强随时间的变化率(dpe,ped/dt)随宽谱湍流幅度增大而逐渐减小，这意味着宽谱湍流可能引起向外的输运，调节台基压强的演化。以上的研究结果表明在EAST台基区，经常观察到的相干模和宽谱湍流会贡献一部分的台基输运，起到调节台基参数的作用，这对于理解台基输运以及最终控制台基参数奠定了坚实的基础。