托卡马克I模状态中弱相干模的特征研究

I-mode is a promising alternate regime for ITER and reactor-scale operation, characterized by its apparent decoupling of energy and particle transport channels. I-mode operation generates a high-temperature, low-collisionality pedestal (with natural operation near ITER target) with comparable energy confinement to more conventional H-modes. At the same time, I-mode lacks a density pedestal or significant reduction in particle transport, maintaining desirable L-mode-like levels of impurity confinement for stationary operation with high-Z metal wall materials. I-mode appears to be naturally free of large ELMs, avoiding the deleterious pulsed heat loading anticipated for uncontrolled ELMy H-modes in ITER-scale devices without the need for externally-applied ELM mitigation or suppression. I-mode always operates with a “weakly-coherent mode”, which is well characterized experimentally, but nevertheless the underlying physics basis is poorly understood. This project will try to find a typical discharge of I-mode on EAST, and use BOUT++ code, which is suitable for studying MHD and turbulence at pedestal regime, to add the deeper understanding of the mode.

Improved mode（I模）是一种很有希望将来被ITER和反应堆选择的运行模式，它的特征是能量输运和粒子输运解耦。I模状态下有ITER所期待的高温、低碰撞率的台基，并且拥有与传统H模相当的能量约束。I模缺少密度台基，粒子输运会显著减少，因此在高Z金属壁材料下容易保持类L模的杂质水平。I模不产生大的ELM不稳定性爆发，避免了ITER规模装置中不可控的I类ELM爆发形成的脉冲热负荷对靶板和第一壁的冲击，不需要引入ELM缓解和抑制系统。一般而言，I模的台基处会出现以密度扰动为主的弱相干模（WCM）。虽然实验上对WCM已经进行了较详细的观察，但其产生的物理机制依然是一个谜团。本项目将通过统计方法在EAST实验中总结I模的典型放电，并用研究边界湍流以及MHD不稳定性的BOUT＋＋程序对I模现象进行系统分析，了解WCM特征，尝试理解产生I模的物理机制。

带一类边界局域模（ELM）的H模长期是作为ITER以及将来的反应堆设计最为经典公认的运行模式。但此种模式拥有非常多的不稳定性问题，仅就边界产生的一类ELM，无论是瞬态对偏滤器靶板的冲击，还是长脉冲运行时对偏滤器靶板的热负荷积累，都是未来聚变反应堆一个非常棘手的问题。对于先进模式的探索，特别是小ELM，无ELM的运行模式的研究一直是国际ITER边界物理非常关心的问题，而I模就是一个很好的选择。. 本项目是研究托卡马克I模状态中弱相干模的特征，包含I模产生的宏观参数条件总结，弱相干模的特征分析以及弱相干模的数值模拟分析。. 在基金支持的这段时间里，我们很好的完成了既定的研究内容：(1) 我们成功在EAST上实现了和I模特征非常接近的Improved模，这个模式拥有H模的约束，无ELM爆发的L模边界，具有温度内部输运垒；(2) 建立了EAST的Improved模数据库，并开展了相关的研究分析；(3) 在模拟以及理论建模中，我们完成了基于C-Mod装置上I模中的弱相干模的物理分析：通过线性模拟，我们第一次发现I模中的模式是阻性气球模和漂移阿尔芬波模的混合，通过非线性模拟，我们模拟出了与实验中获得的弱相干模极其相似的扰动模式，也由此判断弱相干模很可能就是阻性气球模和漂移阿尔芬波模的混合；(4) 针对未来反应堆，特别是国内正在酝酿的CFETR，开始建立以I模为运行方案的基础物理研究。. EAST上发现Improved模的重要意义在于给了我们获得存在内部输运垒的I模，这种理想反应堆放电模式的信心。而针对I模中弱相干模模拟的重要意义在于为今后如何在别的装置中获得I模，提供了理论基础。