HL-2A装置上电子内部输运垒的形成机制研究

Electron heat transport is one of the most important topics in the study of fusion plasmas, because the sustainability of the fusion reaction and the performance of the plasma confinement are governed by the electron heat transport. To achieve high plasma confinement, it is crucial important to clarify the physics mechanism of the formation of the internal transport barrier (ITB). In this work, the formation of the ITB during high power auxiliary heating will be studied. We will focus on the physics mechanism of electron heat pinch and momentum transport, and their contribution to the ITB plasmas. By changing the deposition position and current drive efficiency of electron cyclotrong resonance heating and cuurent drive (ECRH/ECCD), the plasma current profile, as well as the plasma rotation and radial electric shear, can be controlled. As a result, the abnormal thermal transport driven by turbulence will be reduced, leading to the increase of the electron temperature gradient in a particular region. The relationship among the turbulence, heat pinch and plasma rotation around the ECRH deposition position, will be studied. Furthermore, with the aid of supersonic molecular beam injection (SMBI), low hybrid current drive (LHCD) and neutral beam injection (NBI), the key parameters to reduce electron heat transport and the condition (such as the power threshold and the radial shear) to trigger ITB will be studied.

等离子体电子热运输问题是未来聚变反应堆中要解决的主要课题之一。电子的热输运决定着聚变反应堆是否能进行自持的热核反应。为了获得高约束品质的等离子体，需要弄清等离子体中形成内部输运垒的物理机制。本项目将开展在大功率辅助加热和驱动条件下内部输运垒形成机制的研究，重点研究在内部输运垒形成期间等离子体电子热pinch与动量输运的规律与机制。通过改变ECRH/ECCD的沉积位置和驱动效率，来控制等离子体剖面分布、旋转和径向剪切，降低由湍流引起的反常输运，从而使电子温度梯度增大，进而实现形成电子内部输运垒和改善等离子体约束品质。研究在ECRH沉积区域内外，等离子体旋转速度分布变化与热pinch的关系，芯区湍流变化规律。另外利用超声分子束注入、低杂波电流驱动和中性束注入等辅助手段，研究影响电子热输运的主要因素及产生电子内部输运垒的可能性和条件，给出形成电子内部输运垒的加热和驱动的功率域条件。

本项目“HL-2A装置上电子内部输运垒的形成机制研究”自项目启动以来，项目组根据研究目标和研究任务，在扰动输运分析方法、实验条件与诊断准备、等离子体调制输运实验、湍流与输运物理分析等下四方面按计划地推进研究工作，（1）首先研究了扰动输运分析方法，根据扩散输运模型，分析扩散和对流的影响，实验上通过摸索调制脉冲扰动方案，分析扩散、对流(pinch)和阻尼项的作用，发现扩散主要由相位决定，而受扰动幅度影响较小，对流主要由幅度影响，通过幅度分布和相位分布对比可以基本确定对流的贡献，而阻尼的作用较小，在同时考虑幅度和相位时可以忽略不计。（2）芯部剖面和湍流诊断升级改造，发展和完善了多道电子回旋辐射系统(64道，分辨0.5cm / 10us)、多道相关电子回旋辐射系统(8道，分辨1cm / 1us)、多道多普勒反射系统（16道，分辨0.5cm / 1us），获得了高时间分辨和高空间分辨的电子温度分布、芯部温度湍流分布，这些系统对保障实验具有决定性作用。（3）利用电子回旋共振加热和超声分子束注入等调制手段，在外部加入脉冲调制后，测量了等离子体温度和密度脉冲传播幅度和相位，测量了输运垒与其它参量之间的关系。（4）在完成实验条件准备，分析方法和实验的基础上，研究了在内部输运垒期间，等离子体湍流输运，对比研究了电子回旋共振加热和超声分子束注入在不同区域产生扰动调制后，扰动源沉积位置附近，扩散和对流的分布特征，分析了等离子体旋转速度分布变化，等离子体芯部湍流的变化规律。研究了影响电子热输运的主要因素及产生电子内部输运垒的可能性和条件，实验结果表明显垒区的流剪切对输运垒的形成和湍流抑制具有决定性作用。.项目实施四年来，项目团队成员及学生共发表与本课题研究内容相关的文章23篇，参加国内国际学术会议20余人次，获得中核集团公司科学技术奖一等奖和三等奖各1项，国家科学技术进步奖二等奖1项；申请发明专利4项授权，实用新型专利2项授权，在诊断和物理实验方面培养了5名硕士研究生。