托卡马克等离子体自发旋转的实验研究

等离子体的旋转及旋转速度剪切对H-mode的形成，内部输运垒（ITBs）的形成和维持，以及电阻壁模（RWMs）等MHD稳定性都起了很重要的作用。对于ITER和未来更大的反应堆规模的装置，将很难获得有效的外部动量输入。近年来在很多装置上观测到了自发旋转现象，这种自发旋转（或者与NBI提供的外部动量结合）达到的速度很有可能满足ITER或更大装置的需求。本项目将主要利用电荷复合交换光谱和二维X弯晶谱仪这两种诊断，在EAST装置上开展自发旋转的实验研究。研究的重点将是大功率射频波驱动的自发旋转与等离子体主参数和性能的关系及自发旋转物理机制的实验探索。目前有关自反旋转的实验数据积累还远不够丰富，本项目的实施将对建立有效的能外推到ITER的自发旋转实验定标率起到积极的作用。

等离子体的旋转及旋转速度剪切对H-mode的形成，内部输运垒（ITBs）的形成和维持，以及电阻壁模（RWMs）等MHD稳定性都起了很重要的作用。对目前的托卡马克装置来说，中性束注入(NBI)这样的外部动量输入是最有效的等离子体旋转源。而对于ITER和未来更大的反应堆规模的装置，中性束注入(NBI)将很难为其提供有效的外部动量输入。近年来在很多托卡马克装置上观测到了非外部动量输入引发的等离子体旋转现象（被称为自发旋转），这种自发旋转（或者与NBI提供的外部动量结合）达到的速度很有可能满足ITER或更大装置的需求。鉴于等离子体的旋转对ITER这样大型装置的重要性，无动量输入或低动量输入等离子体的自发旋转成了目前国际聚变研究的热点，有关自发旋转的实验还很不充分，缺乏系统性，而理论方面，还没有一个模型比较好的解释自发旋转的机制。本课题主要支持了先进成像弯晶谱仪诊断和电荷复合交换或被动可见光谱诊断正常投入EAST和HT-7实验并为本项目提供核心实验数据，通过实验数据结合理论模型和数值模拟，探索目前的国际热点-动量输运和自发旋转等。HT-7托克马克上的电荷复合交换光谱诊断的开展为EAST电荷复合交换光谱诊断和被动光谱诊断的发展（包括关键硬件技术和数据处理软件，数据处理方法等）积累了大量丰富的经验。目前X射线成像弯晶谱仪和可见光被动诊断已稳定运行在EAST装置上。通过本项目的实施，我们掌握了先进成像弯晶谱仪和电荷复合与被动可见光谱诊断的关键技术和方法。同时基于以上诊断研究了EAST装置上的射频波加热和欧姆放电下的自发旋转行为，尤其首次发现低杂波电流驱动下等离子体的旋转与电流同向，边界的旋转变化早于芯部的旋转变化，此成果发表在物理类的顶级期刊Physics Review Letter上。本项目的支持的其他多篇论文也发表在Plasma Physics and Control Fusion, Review of Science Instruments等主要物理类期刊上。通过本项目的实施，也培养了两名博士和两名硕士。