EAST高约束模等离子体的脱靶对台基结构影响的物理机制研究

Plasma detachment which can effectively reduce the thermal load on the divertor target plate, is of great significance for the safe operation of the next generation of fusion devices such as ITER and CFETR. On the other hand, it is often observed in detachment experiments on modern devices that the detachment in H-mode plasmas results in decreasing the height of pedestal pressure, which in turn degrades the overall confinement performance. How to maintain the height of pedestal during detachment operation is the key to further developing this operation mode. Therefore there is a need to understand the physical mechanism that how detachment changes the pedestal structure (height and width). In EPED model, which is the popular model for predicting the pedestal structure, pedestal structure is determined by the stability boundaries of peeling-ballooing mode and kinematic balloon modes (KBM). The study of these two different kinds of stability is the key to understand the changes of the pedestal structure in detachment process. Based on the EAST experimental platform, this project will measure the changes of pedestal structure during the detachment process in H-mode plasma, and the ELITE program will be used to study pedestal MHD stability. At the same time, the turbulence and evolution in pedestal will be measured to study the impact of small scale instability (like KBM or other) on pedestal structure. At last, the physical mechanisms that how plasma detachment affects pedestal structure in EAST H-mode can be understand.

等离子体脱靶能够有效减少偏滤器靶板上的热负荷，对下一代聚变装置(如ITER和CFETR)的安全运行具有重要意义。另一方面，在现今装置的实验中，经常观察到H模等离子体的脱靶会导致台基压强高度下降，进而引起整体约束性能变差。如何在脱靶运行下仍然能维持台基高度是进一步发展该运行模式的关键。因此需要理解脱靶引起台基结构(高度和宽度)变化的物理机制。目前常用的预测台基结构的模型(EPED)认为其由peeling-ballooing模和动理学气球模(KBM)的稳定性边界共同决定。对这两种不同稳定性的研究是理解脱靶过程中台基结构变化的关键。本项目基于EAST实验平台，测量H模等离子体脱靶过程中台基结构的变化，利用ELITE程序研究台基磁流体稳定性的变化；同时测量台基区湍流和台基演化，研究小尺度不稳定性(KBM或其它)对台基结构的影响。通过两方面的研究初步理解脱靶对台基结构影响的物理机制。

国际热核聚变试验堆（ITER）选择具有I类边界局域模(ELMs)的高约束放电模式作为基本运行模式，对于ITER而言，在尽量不影响等离子体约束性能的前提下，如何降低ELMs对靶板材料的损伤是亟待解决的关键问题之一。等离子体脱靶是一种能有效降低偏滤器热负荷的偏滤器运行模式，在目前的偏滤器脱靶实验中，已经明显观察到脱靶导致台基压强下降，但其背后的物理机制尚不清楚。在本项目的支持下，我们研究了EAST在小幅度或无边界局域模的高约束模放电条件下，通过密度爬坡、充Ne杂质和充Ar杂质三种不同方式研究了偏滤器脱靶前后的台基结构演化特征。研究表明密度爬坡和充Ar杂质两种方式脱靶前后，台基密度的抬升幅度不足于弥补台基温度的损失，导致台基压强下降，因此等离子体内能和约束下降；而充Ne杂质脱靶前后台基密度上升幅度与台基温度下降幅度相当，进而等离子体内能和约束能够维持不变。我们还利用ELITE程序计算了台基区磁流体稳定性边界，发现脱靶运行前后时刻的“operation point” 均位于稳定区一侧。此外，我们还研究了偏滤器脱靶炮的台基湍流特征，结果表明在密度爬坡、充Ne杂质和充Ar杂质三种方式实现偏滤器脱靶前的台基梯度区均能同时观察到静电相干模ECM、磁相干模MCM和高频模HFM，且在进入脱靶运行前，这三种台基不稳定性均消失，这可能与偏滤器脱靶运行导致的台基压强梯度和碰撞率发生了改变有关。本项目的研究成果为EAST偏滤器脱靶过程中的台基结构演化提供了清晰的图像，对探索偏滤器脱靶和高性能等离子体相兼容的先进运行模式具有重要科学意义。