引起核聚变装置中材料表面间歇性能量沉积的等离子体湍流电磁丝状结构的研究

最近几年有实验证据表明，聚变等离子体边界横越磁力线的输运是由在径向传播的间歇湍流结构所携带，这些结构被称为blobs或filaments。造成材料表面局部区域的瞬态热负荷和粒子负荷，导致材料的破坏、主真空室再循环以及产生杂质污染芯部等离子体。特别是ELM filaments在偏滤器靶板和第一壁上造成的热负荷已经超过工程允许的极限。因此，这是制约未来聚变反应堆长时间稳态运行的关键。最近，国际上对这一问题的研究从两维静电向三维电磁动力学发展，特别强调对current filaments和current holes的研究。本项目将依托国家大科学工程EAST超导tokamak和HT-7超导tokamak实验平台，设计新的探测系统，包括电磁探针等，对上述问题开展实验研究，测量filaments的电磁结构。通过研究，进一步揭示聚变等离子体边界湍流输运以及引起材料表面间歇性能量沉积的基本物理机制。

近几年有越来越多的实验证据表明，在低约束模式（L-mode）下聚变等离子体边界的输运主要是由在径向运动的间歇爆发湍流相干结构所携带，这些结构被称为气泡结构（blobs）或丝状结构（filaments）；在高约束模式（H-mode）下伴随边缘局域模（ELM）出现的精细结构，即ELM filaments，成为输运的主要载体。粒子和热通过filaments轰击材料表面，造成材料表面局部区域的瞬态热负荷和粒子负荷，带来再循环和杂质溅射等问题。相对于blobs，ELM filaments对材料的损伤更为严重，并且展现出显著的电磁特征。本项目依托EAST托卡马克装置，设计制作了新颖的三维电磁探针阵列，并借助偏滤器探针及广角高速相机针对电磁filaments开展了实验研究。我们在边界速度剪切层（同时也是陡峭压力梯度区域）的两侧分别观测到blobs和holes相干结构聚集的区域，据此推测边界速度剪切层是这些结构的产生区域。我们使用了基于交换不稳定性的两维边界湍流数值模拟程序ESEL，带入实验参数对EAST边缘湍流进行了模拟。模拟再现了实验中探针测量到的边界参数分布及湍流涨落统计特征。目前国际上对于ELM filaments是否携带及输运电流仍然存在很大的争议。我们不仅研究了ELM filaments驱动的粒子和热输运，而且利用三维电磁探针在刮削层及最后闭合磁面附近对不同类型的ELM filaments进行了观测，研究了其电磁特征。发现ELM filaments的密度和电势扰动拓扑结构分离。清晰地观测到了伴随type-I ELM的孤立电磁filament。它在刮削层径向朝外运动的同时在极向沿着电子逆磁漂移方向运动，激发了很强的磁扰动。通过对磁扰动信号的反演以及与模拟的比较，我们发现它携带了单极电流。这为ELM filament输运电流提供了重要的实验证据。此外，我们使用偏滤器靶板探针测量了偏滤器靶板上ELM filaments造成的间歇性热负荷及内外侧靶板不对称性，对比研究了type-I ELM、复合型ELM及type-III ELM带来的偏滤器靶板热流和粒子流及沉积宽度，并系统地研究了type-III ELM的统计特征。这些研究为认识聚变等离子体边缘的电磁filaments及输运机制提供了新的重要实验观测。