托卡马克等离子体湍流杂质输运的理论研究

To ensure steady state high performance operation of magnetic confinement fusion devices, it is necessary to avoid impurity accumulation in core plasmas, which requires accurate understanding and predictions of the impurity transport behaviors. Various experimental results indicate that impurity transport is also anomalous, which is dominated by mirco-turbulence. However, from both experimental and theoretical perspectives, turbulent impurity transport is much less understood than heat transport and particle transport. Therefore, turbulent impurity transport is one of the most important and difficult issues in magnetic fusion research field. This proposal is plan to investigate the turbulent impurity transport and impurity effects on plasmas, including parametric dependence and isotopic dependence of turbulent impurity transport, flow shear instability induced impurity transport, and impurity effects on residual zonal flow. This study is helpful for us to deeply and comprehensively understand impurity transport, could be also provide theory foundations for predictions and effective control of impurity behaviors in burning plasmas of future ITER.

为了保证磁约束聚变装置的高参数稳态运行，需要防止杂质聚芯，这对精准地理解和预测杂质输运的行为和规律提出了极高的要求。大量实验结果表明，杂质输运也是反常的，被认为是由等离子体微观湍流所主导的。但是，人们对杂质输运的理解，无论是实验角度还是理论角度，都严重滞后于对等离子体热输运、粒子输运的理解。因此，湍流杂质输运是磁约束聚变研究亟待解决的重点和难点问题之一。本项目计划针对微观湍流和杂质的互相影响展开一系列有原创性的理论研究，研究内容包括：湍流杂质输运的等离子体参数依赖和同位素依赖、流剪切不稳定性驱动的杂质输运、杂质对带状流的影响。这一项目的开展有助于我们更深入、更全面地理解杂质输运，可能为将来ITER燃烧等离子体中杂质行为的预测和有效控制提供理论基础。

未来的托卡马克聚变堆中，如果有大量杂质聚芯会稀释燃料、降低温度，从而降低聚变功率。另外，杂质聚芯后还可能影响等离子体不稳定性和约束性能，甚至引发等离子体大破裂。因此，研究微观湍流引起的杂质输运对于控制芯部杂质浓度及约束性能至关重要，是磁约束聚变研究亟待解决的重点问题之一。本项目围绕托卡马克等离子体中微观湍流引起的杂质输运以及杂质对约束性能的影响开展，取得的主要进展与成果包括：（1）发现微观湍流引起的杂质输运与湍流模式相关，a）ITG湍流引起的杂质对流通量由电子密度梯度驱动的向内对流与杂质温度梯度驱动的向外对流之间的竞争决定，同位素效应不利于排出轻杂质，但有利于缓解重杂质聚芯；b）PVS湍流会引起杂质聚芯，这与实验观测定性一致，同位素效应对于PVS湍流排出轻杂质和重杂质都有利；c）CTEM湍流引起的氦灰扩散输运是主导机制，有利于氦灰排出，相比于氘氚燃料离子，同位素效应更有助于增加氦灰的排出；（2）发现杂质的存在会影响带状流：a）降低中等尺度的残余带状流水平，且杂质的质量数越大、浓度越高效果越明显，却可以提高短尺度的残余带状流水平，对大尺度残余带状流的影响则很弱；b）全电离且剖面较平的轻杂质、高电离态的钨杂质、低温的氦灰会降低CTEM湍流驱动的带状流增长率。这些工作有助于我们更深入、全面地理解杂质输运，为将来ITER等燃烧等离子体中有效控制杂质的浓度以及评估杂质对等离子体约束性能的影响提供理论基础。