托卡马克H模台基区准相干模及其对输运影响的实验研究

The edge-localized modes (ELMs), appearing in the tokamak high confinement mode (H-mode), are beneficial for achieving stationary H-mode pedestal as they lead to impurity expulsion, allowing for cleaner plasma. However, the high transient heat loads onto the divertor target plates associated with the large-amplitude ELMs are a major concern for the plasma-wall interaction as they will severely shorten the life time of plasma facing materials in future fusion reactors. This is currently a major problem in the field of magnetic fusion. Some quasi-coherent modes (QCMs) appearing in the H-mode pedestal of tokamaks can drive radial transport, exhaust impurities continuously and release free energy stored in the pedestal. The resulting reduction in the edge pressure gradient prevents the pedestal from touching the MHD stability boundaries and thus the occurrence of large ELMs. In some cases, it leads to small or no ELM stationary H-mode regimes. In this project we plan to investigate the pedestal QCMs and their impact on the cross-field transport on the EAST superconducting tokamak. We plan to extend our previous research work to the lower pedestal collisionality regimes. Several diagnostics systems for edge fluctuations and profiles on EAST will be used to characterize the pedestal QCMs. The underlying instabilities will be identified, assisted by numerical simulations. In addition, a diamond-coated Langmuir probe will be used to provide direct measurements of QCM-driven radial fluxes and cross-phases among fluctuations. These researches will be of significant importance in solving the problems associated with large ELMs and may facilitate the access to small or no ELM stationary H-mode regimes in tokamaks.

托卡马克高约束模式（H模）下出现的边界局域模（ELMs）具有排出杂质的功能，有利于H模边界台基的稳态维持，但是大幅度ELMs带来的偏滤器靶板瞬态热负荷将严重限制未来聚变堆上靶板材料的使用寿命，是目前磁约束聚变面临的一个主要问题。托卡马克H模边界台基区出现的某些准相干模，可以驱动径向输运、持续性排出杂质、释放台基区自由能、限制台基压力梯度，从而避免大ELM、有助于形成小或无ELM的稳态H模。该项目计划针对EAST超导托卡马克台基区出现的准相干模及其对输运的影响开展实验研究。在前期研究工作的基础上，进一步探索较低台基碰撞率的参数区。借助EAST上的多种边界涨落及分布参数测量系统，刻画台基区准相干模的特征；结合数值模拟识别其不稳定性模式；用金刚石镀膜的探针实现对准相干模驱动的径向输运通量及涨落之间相位差的直接测量。该项研究将对于解决大ELMs带来的问题、实现小或无ELM的稳态H模具有重要意义。

对于未来聚变实验装置而言，大的边界局域模（ELMs）爆发所携带的巨大的瞬态热流和粒子流将会直接轰击到装置的器壁材料上，不仅会降低第一壁材料的使用寿命，也会产生杂质污染芯部等离子体，极大的限制装置的运行安全。因此，如何有效的控制ELMs成为了聚变研究领域的重要问题之一。基于此，本项目依托EAST超导托卡马克装置，对EAST上台基区形成的多种湍流模式如：静电准相干模ECM、磁相干模MCM、高频电磁模HFM、电磁后兆振荡、X点杂质辐射振荡以及边界携频振荡EHO等开展了详细的研究。除此之外，我们也对EAST上丰富的小、无ELM运行参数区、产生机制及兼容辐射偏滤器下的台基行为也开展了细致的实验研究。重要结果如下：（1）详细的刻画了ECM的参数依赖关系，发现了ECM的合适台基压力梯度及碰撞率区间。此外还观察到在三维场作用下ECM的三维不对称结构。（2）得到了MCM和HFM的参数依赖关系，发现MCM可以有效的影响偏滤器靶板测量，从而改变打击点撕裂现象。同时观察到MCM和HFM之间存在着强烈的三波相互作用，MCM和HFM关系密切。（3）利用偏滤器区域主动注入CD4杂质的手段获得了稳定的ELMs抑制，并且同时兼容辐射偏滤器的运行模式。同时观察到在X点附近激发出低频、低环向模数(n=1)的辐射不稳定性。（4）通过模拟解释了DIII-D实验中观察到的ExB剪切流减小后EHO演化为宽谱涨落的物理机制。（5）对EAST上低再循环无ELM运行模式的参数区间进行了研究，并且发现降低的台基底部密度及增强的离子逆磁稳定性效应是这种无ELM形成的物理机制。（6）对EAST上type II 小ELMs获得条件进行了研究，并且发现展宽的边界静电涨落的周期性爆发有可能是此类小ELMs的形成机制。（7）对小、无ELM运行且兼容辐射偏滤器的可行性进行了研究，观察到台基湍流模式在不同偏滤器状态下的显著差别。该项目的研究开展对于解决大ELMs带来的热负荷问题、实现小或无ELM的稳态高约束运行模式以及兼容辐射偏滤器的可行性方面具有重要的科学意义。