利用偏压电极驱动的螺旋电流影响托卡马克等离子体边界磁拓扑结构的研究

The magnetic topology in the edge of tokamak plasmas is of great importance in the redistribution of heat load on the divertor target and the control of Edge Localized Modes (ELMs). Compared with the external saddle coils, the actively driven helical currents in the scrap-off layer (SOL) is a more effective method for producing resonant magnetic perturbations (RMPs), and hence modifies the magnetic topology. The helical currents induced by Low Hybrid Wave (LHW) has controlled the ELMs on EAST. In this project, an electrode will be placed in the SOL region, instead of inside the last closed flux surface, biased to drive helical current along the opened magnetic field lines on J-TEXT and hence to change the edge magnetic topology. The helical current induced by the biased electrode has advantages, such as, the amplitude easier measured, more economical, and less spaced needed. Yet no key experimental evidence has been published to prove that the helical current due to biasing is feasible in modifying magnetic topology and controlling ELMs, except a few theoretical works. This project will (a) investigate the features of those actively driven helical currents, (b) study the impact of helical currents on magnetic topology at various electron densities and edge safety factors, and (c) find the parameter regions, within which the helical currents have the best performances on the modification of edge magnetic topology, edge transport and parameter profiles. These researches could verify the feasibility of ELM control by using biasing driven helical currents, and underlie its application on larger devices and fusion reactors.

托卡马克等离子体边界磁拓扑结构在偏滤器靶板热负荷分布及边界局域模控制中具有重要作用。相比于传统的鞍形线圈，在刮削层驱动的螺旋电流可以更高效地产生共振磁扰动，进而改变磁拓扑结构。在EAST上已经由低杂波驱动了螺旋电流，并观察到边界磁拓扑的变化及边界局域模控制。本项目创新性地将偏压电极放置于刮削层中，驱动沿开放磁力线的螺旋电流，进而改变边界磁拓扑结构。偏压电极驱动的螺旋电流具有幅度易测量、经济、占用空间小的优势，但是目前除了少量理论研究，还缺乏实验结果证实其能改变边界磁拓扑结构，并用于靶板热负荷分布及边界局域模控制。本项目拟在J-TEXT装置上研究主动偏压所驱动刮削层螺旋电流的特性，探索不同等离子体参数、位形下螺旋电流对边界磁拓扑的影响，找到螺旋电流影响边界磁拓扑、边界输运和参数分布的最佳区间，为该方法在大装置、聚变堆上的应用提供参考。

托卡马克等离子体边界磁拓扑结构在偏滤器靶板热负荷分布及边界局域模控制中具有重要作用，其中刮削层螺旋电流是一种新型的磁拓扑结构调控手段。如果能通过偏压直接在刮削层驱动螺旋电流并改变边界磁拓扑，将为大装置和ITER提供一种经济、高效的磁拓扑控制方案。.本项目在J-TEXT托卡马克上，利用偏压电极系统在刮削层施加偏压，主动驱动了灵活可控的螺旋电流，并在偏滤器位形下成功实现了边界磁拓扑的调控。实验上，通过调制偏压驱动了数百安培调制的螺旋电流，利用磁探针测量证明其产生了非轴对称的磁场扰动，且螺旋电流的幅度和结构受电极尺寸、边界等离子体参数、等离子体电流及边界平衡磁场位形调控。在偏滤器位形下，径向位于最外闭合磁面附近的偏压可以驱动最大的沿磁力线和逆磁力线两个方向联接到高场侧偏滤器靶板上螺旋电流。项目建立并完善了螺旋电流模型，考虑了真实磁力线结构、电极尺寸、边界电阻率径向分布等效应，获得了与实验测量高度吻合的非轴对称磁场结构。模拟表明，螺旋电流可在边界磁面产生高达14 G/kA的共振磁扰动分量，会改变边界磁拓扑结构，在偏滤器位形下造成边界随机化并在X点附近形成瓣状结构（lobes），这种结构与靶板相接触会建立主等离子体额外的输运通道，形成打击点分裂。项目也通过实验观察到了边界磁拓扑结构的显著变化。当在偏滤器位形下施加刮削层正偏压时，通过可见光辐射相机观测到上打击点附近存在明显的瓣状结构及打击点分裂，与模拟结果具有高度的相似性。.这些研究结果表明，通过偏压驱动刮削层螺旋电流具有高度的灵活可控性，且具有自动匹配边界安全因子分布产生共振扰动磁场的特点，可以在边界产生显著的磁拓扑结构变化，形成瓣状结构并造成打击点分裂，为利用偏压螺旋电流控制边界局域模提供了重要的物理可行性验证。