大功率辅助加热条件下高能量粒子激发的多模磁流体不稳定性的实验研究

It's proved that multi-mode MHD instabilities, with different frequencies, different wave lengths and different located positions, can be excited simultaneously by energetic particles when the auxiliary heating power exceeds a certain threshold by experiments. The new loss and transport mechanism of energetic particles will be caused by the multi-mode MHD instabilities. Theory and simulation give a prediction that multi-mode MHD instabilities will be excited by the self-heating source—3.52 Mev alpha (α) particles, generated by deuterium-tritium (D-T) fusion reactions. The investigation on multi-mode MHD instabilities excited by energetic particles during high-power auxiliary heating, especially in strong ECRH condition, will be carried out on HL-2A/2M. The characteristics and elements of the multi-mode instabilities will be observed and identified; The auxiliary heating power threshold for exciting the multi-mode instabilities will be find out; Effects of energy-, velocity-profiles and even the spatial profile of energetic particles on the elements and amplitude of multi-mode instabilities will be studied; The new mechanism of multi-mode instabilities will be researched; The loss and redistribution of energetic particles caused by multi-mode instabilities will be measured. The experimental experience of multi-mode MHD instabilities excited by energetic particles during high-power auxiliary heating on HL-2A/2M will provide physical and experimental evidence for burning plasma physics in ITER.

实验证明托卡马克等磁约束聚变装置上辅助加热功率超过一定阈值之后，高能量粒子会同时激发不同频率、不同波长和局域于不同位置的多模磁流体（MHD）不稳定性，并引发高能量粒子新的损失和输运机制。理论和模拟预言ITER装置上氘-氚反应产生的自持激加热源—3.52 MeV的阿尔法（α）粒子也会激发多模MHD不稳定性。本项目将利用HL-2A/2M装置上大功率的辅助加热系统，尤其是强电子回旋辐射加热（ECRH）系统，开展高能量粒子激发的多模MHD不稳定性的实验研究：观测和鉴别多模MHD不稳定性的模特性和模成分；研究辅助加热功率，高能量粒子的能量、速度和空间分布等对多模MHD不稳定性的影响，揭示多模MHD不稳定性新的激发机制；明确多模MHD不稳定性对高能量粒子损失和再分布的影响等。为ITER燃烧等离子体的物理研究和运行提供实验依据。

本项目在HL-2A装置上大功率的中性束（NBI）、低混杂波电流驱动（LHCD）和电子回旋加热（ECRH）等辅助加热和电流驱动系统条件下开展了高能量粒子（包括高能量离子和电子在内）激发的多模磁流体（MHD）不稳定性模式共存的实验研究。发现了辅助加热功率、电流驱动方向、高能量粒子的能量、速度和空间分布等对多模MHD不稳定性的影响，揭示了多模MHD不稳定性的激发机制，明确了多模MHD不稳定性对高能量粒子损失和再分布的影响等。.在NBI条件下观测到了能量粒子模（EPM）的多模共存现象，EPM与撕裂模（TM）的之间的非线性模耦合，及其引起的高能量离子的非线性“雪崩”输运。大锯齿崩塌引起的高能量离子再分布后反向通行离子激发的共振TM；在大功率反向LHCD条件下观测到了2两支电子比压阿尔芬本征模（e-BAE）的共存及其随功率的演化，以及正向LHCD条件下的电子鱼骨模（e-fishbone）的模式转换；在大功率ECRH条件下观测到了多支e-BAE的共存及其随ECRH功率的演化等。.通过多道Mirnov磁探针、电子密度扰动和电子回旋辐射等诊断确定了不稳定性的模数和局域位置，通过软X射线的层析反演技术得到了e-fishbone、EPM等多种不稳定性的径向模结构及其演化。进一步利用诊断碲化镉硬X射线诊断系统得到了e-BAE发展期间高能量电子的分布情况；通过新发展的成像中性粒子分析器得到了激发长寿模的高能量粒子的局域位置、能量和螺距角等关键信息。.理论物理学家Fulvio Zonca和陈骝教授针对HL-2A装置上的EPM引起的高能量粒子的“雪崩”输运现象提出了“接力赛”模型（Relay Runner Model）对EPM引起高能量粒子的非线性对流输运现象进行了成功解释；大连理工大学的朱霄龙博士通过M3D-K代码对锯齿引起的高能量离子再分布，以及再分布产生的反向通行离子激发的共振TM不稳定性进行了模拟和验证。