HL-2A装置上ECRH缓解阿尔芬本征模不稳定性行为研究

Energetic particles driven-Alfven eigenmodes (AEs) is a hot topic in the fusion plasma research. It is recognized that a variety of Alfven instability activities will be excited by the energetic particles produced by the high power Neutral beam injection (NBI) and the burning deuterium–tritium (DT). Meanwhile, the AEs instability also influences the radial transport of the fast particles and results in majority loss of fast ions, reduction of the fusion factor Q, and even damage to the plasma facing components on the first wall. As a consequence, taking measures to mitigate the AEs instabilities effectively becomes crucial for the nowadays fusion machines. ECRH, one of the main plasma heating systems, has been demonstrated to be a powerful tool for mitigation of the AEs instabilities. In this topic, based on the HL-2A heating system, including 3.0MW of ECRH and 1.0MW of NBI, physical research on the mitigation of the NBI induced AEs instability by ECRH will be carried out on HL-2A. The relationship between the AEs mitigation and the ECRH power, deposition location, electron density will be revealed here, for the purpose of improving the fast particles confinement.

高能粒子激发的阿尔芬本征模(AEs)不稳定性一直是核聚变研究的重要内容之一，尤其是大功率NBI注入和氘氚聚变反应，都会产生大量的高能离子，很容易激发AEs，如TAE、RSAE。反过来，激发的AEs又会改变高能离子的输运，造成大量快离子损失，降低聚变Q值，甚至损坏第一壁器件。因此，如何有效缓解或抑制AEs不稳定性行为，改善快离子的约束，是实现核聚变的关键。ECRH作为主要的等离子体加热手段之一，能够缓解AEs不稳定性行为，在等离子体实验中已经获得证实。基于HL-2A装置已经具备1.0MW NBI、3.0MW ECRH加热系统和完善的等离子体诊断系统，本项目拟在HL-2A上开展ECRH缓解AEs不稳定性行为的物理研究，研究AEs缓解效果与ECRH加热功率、加热位置、电子密度等参数的物理关系，进而提高快粒子的约束。

在磁约束核聚变装置上,大功率辅助加热以及氘氚聚变反应都会产生大量的高能粒子，激发MHD不稳定性，尤其是阿尔芬本征模（AE）。反过来，阿尔芬本征模又会改变高能粒子输运，造成快离子大量损失，降低聚变Q值。. 本课题在HL-2A装置上采用大功率辅助加热（尤其是中性束注入NBI），开展了多种AE的物理研究：成功观测到环向阿尔芬本征模（TAE），尤其是TAE频率Chirping-down行为，并对TAE模频率和模结构展开分析；研究了反剪切阿尔芬本征模（RSAE），尤其是芯部高频RSAE（>400kHz），频率表现出Sweeping-down行为；研究了鱼骨模的激发条件和频谱特性，以及鱼骨模与MHD的相互作用。综合电子密度分布、q分布、环向旋转频率、离子温度等，本课题解释了多种AE的物理机制。. 鉴于阿尔芬本征模的重要性，本课题还开展了ECRH缓解AE的实验，成功观测到ECRH缓解AE不稳定性的效果。通过改变ECRH加热功率和加热位置，研究ECRH抑制AE的物理机制，并获得不同条件下抑制AE的ECRH功率阈值。同时开展了ECRH调制实验，同样观测到明显的AE缓解过程。研究成果将为ITER等大装置上ECRH抑制AE不稳定性提供技术参考。