共振磁扰动控制边界局域模物理机制研究

The international thermonuclear experimental reactor (ITER) will be operated in high confinement mode (H-mode), while the periodic relaxation and rebuilding of the edge transport barrier in H-mode plasma is known as edge localized mode (ELM), which leads to large particle and energy flow depositing on the divertor target plate and the first wall of the main chamber, endangering the steady operation of ITER. The experiments on present magnetic confinement fusion devices show that ELM can be controlled by resonant magnetic perturbations (RMP), so RMP is chosen to be one of the methods to control ELM in ITER. This proposal plans to construct a model of ELM controlled by RMP, which can describe the self-consistent interaction between the response of plasma to RMP field and the nonlinear evolution of peeling-ballooning (P-B) modes. The module describing ELM controlled by RMP will be constructed with BOUT++ code. The physical mechanism of ELM control with RMP will be revealed though the simulation of the following processes: the changing of plasma profiles due to RMP, the linear growth rate of P-B modes, the nonlinear evolution of P-B mode turbulence and the particle and energy loss due to it. The research results will be useful with regard to comprehending the experiments in HL-2A and the other present devices, and can provide a physical foundation for the experiments of ELM control with RMP in ITER.

高约束模（H模）是国际热核聚变实验堆（ITER）的基本工作模式，其边缘输运垒的周期性崩塌与重建形成所谓的边界局域模（ELM），并导致大量的粒子流和热流轰击偏滤器靶板和主真空室第一壁，严重影响聚变装置的稳定运行。现有聚变装置的实验表明共振磁扰动（RMP）可对ELM进行有效控制，因此RMP被选作ITER装置的ELM控制方案之一。本项拟从ELM控制实验出发建立RMP控制ELM的模型，描述等离子体对扰动磁场的响应与剥离气球模非线性演化的自洽相互作用。在BOUT++代码体系下开发RMP控制ELM模块，通过模拟分析加入RMP后等离子体剖面变化、剥离气球模线性增长率变化、剥离气球模湍流非线性演化以及所造成的粒子和能量损失等物理过程，揭示RMP控制ELM的物理机制。研究结果有助于理解HL-2A等现有聚变装置的实验结果，也可为ITER装置开展RMP控制ELM实验提供物理基础。

未来聚变堆中边缘局域模（ELM）造成的等离子体能量损失可能超过偏滤器靶板和主真空室第一壁的承受能力，因此ELM控制是关系到未来聚变堆安全稳定运行的关键问题。共振磁扰动（RMP）作为ITER装置控制ELM的主要方式之一，受到磁约束聚变领域广泛关注，已有实验表明RMP在现有聚变装置上可实现ELM有效控制。本项目基于已有ELM控制实验研究，采用理论模拟相结合的方式探究了RMP控制ELM的物理机制。通过项目实施，我们耦合了RMP与ELM模型，并开发了RMP控制ELM代码，基于该代码开展了RMP缓解ELM物理机制模拟研究，揭示了RMP在剥离气球模非线性模耦合、剥离气球模湍流径向传播中的作用；从理论上推导了RMP条件下的气球模本征方程，通过求解该本征方程探究了RMP对气球模线性不稳定性的影响，发现RMP可通过改变磁力线弯曲项与气球模作用；在考虑等离子响应的前提下研究了RMP对单粒子轨道特征的影响，模拟发现RMP可使粒子轨道发生径向展宽，展宽程度与粒子轨道上的平均扰动磁场成正比，共振场放大效应在粒子轨道展宽中起主导作用，该研究为理解RMP增强等离子体输运提供了新思路；我们还成功地在HL-2A装置上开展了等离子体垂直振荡缓解ELM实验，结合诊断数据的模拟分析表明：等离子振荡过程中导致的下三角形变增加、局域磁剪切增加、台基剖面变化等因素是ELM缓解的物理原因；除此之外，我们还探究了平行电流梯度、电阻率等因素在ELM控制中的作用。相关研究成果增进了人们对RMP控制ELM物理机制理解，可为未来聚变堆中成功控制ELM提供数据和物理支撑。项目研究人员共发表高水平学术论文14篇，其中第一标注7篇，主办或承办学术会议4次，通过项目实施培养博士研究生5名，硕士研究生3名。