离子内部输运垒形成机制的实验研究

Tokamak discharges with internal transport barriers (ITBs) have obvious merits, such as high fusion reactivity, which is suggested an optimized route to achieve steady-state operation desirable for future fusion reactors. The discharges with ITBs are observed on HL-2A, whose generation mechanism is closely related to flow shear and the suppression of ion temperature gradient mode. The mechanism of the ITB formation is so important but it is not clear yet. This project is planned to realize the ITBs with high power microwave and neutral beam injection (NBI) heating, and then to reveal the ITB mechanisms in three following aspects: 1) influences of toroidal rotation and temperature ratio T_e/T_i on the stabilization of micro-instability and hence the ITB formation; 2) the energetic mode (such as fishbone oscillations and long-lasting mode) role on the radial electric field relevant to ITB; and 3) the effect of zero magnetic shear (q_min) on the ITB formation. Furthermore, we are going to control the ITB formation actively with microwave heating, change of the magnetic field, etc. This project will greatly contribute to the high performance operation of ITER by understanding the generation mechanisms and control ways of ITB.

具有内部输运垒(ITB)的等离子体容易获得峰化的芯部等离子体温度、密度和聚变反应率，它是聚变堆稳态运行的一种理想放电模式。在HL-2A装置上利用大功率中性束注入已经获得了具有ITB的放电，其形成机制与剪切流抑制离子温度梯度模有关。理解ITB的形成机制对于未来聚变堆的优化运行非常重要，因此本项目拟在HL-2A/2M上利用中性束和微波加热形成ITB，并从如下三个方面着重研究ITB的形成机制：1）等离子体旋转、电子离子温度之比对ITB形成的影响；2）高能粒子模（鱼骨模、长寿模）对径向电场分布以及ITB的影响； 3）在负磁剪切的等离子体中，剪切率为零或极小安全因子q_min对ITB形成的影响。此外，还将通过改变微波加热和纵场强度等方法，探索主动控制ITB的途径。通过本项目的实施，加深我们对ITB产生机制的理解，掌握主动控制ITB的有效方法，为ITER的高性能等离子体运行提供参考方案。

自从80年代初实现高约束模式（H模）输运垒就一直受到聚变界的高度关注，但遗憾的是其形成机制一直不明朗。HL-2A装置上先后观测到具有边缘输运垒、内部输运垒的等离子体放电。本项目主要研究以中性束为主要加热手段的内部输运垒，该输运垒通常伴随着高能粒子模，如鱼骨模和长寿命模。通过分析电子-离子温度比、等离子体旋转速度与等离子体压强梯度间的关系，理解HL-2A装置上内部输运垒的形成机制。研究发现：只有在电子-离子温度比小于1时，ITB才能被观测到；通过数值模拟可以发现，此时离子温度梯度模（ITG模）占主导地位，只要等离子体ExB的剪切能有效抑制ITG模，内部输运垒就有可能形成。此外，通过Onetwo程序模拟，发现内部输运垒中的输运系数可以低至新经典输运水平。高能量粒子产生的NTV力矩对q=1有理面附近的等离子体环向旋转有阻尼作用，而且增强了局部的旋转剪切效应；这种旋转剪切增强效应很可能会促发ITB的形成。另外，本课题还部分支持了三光栅光谱仪、快速电荷交换复合光谱诊断的研制，可以实现比值法测量碳、氦杂质浓度，也测得时间分辨为0.5ms的离子温度和旋转速度。. 项目在国内外聚变主流杂志上发表了10篇文章，其中Nuclear Fusion 3篇，Physics of Plasma 2篇，Review of Scientific Instruments 2 篇，Fusion Science & Technology、Fusion Engineering and Design以及Plasma Science and Technology 各1篇。 另外，本组有3名博士、2名硕士在学习期间得益于本课题，他们先后参加了15人次的国内外会议。