高约束模边界输运垒偏移对等离子体约束性能影响的物理机制研究

Edge localized mode active control technology is of great significance for CFETR, ITER and other future fusion engineering reactors, to realize high confinement mode discharge. However, it still faces many new physical mechanism problems. Lower hybrid wave modulation, impurity injection and other technologies can lead to a displacement of profile between the temperature pedestal and density pedestal, resulting in the electron-temperature gradient driving mode (ETG) instability. Of course, it will affect the edge transport barrier height and gradient, leading to the plasma global confinement quality change. In order to address this problem, the particle and heat flux in the pedestal and SOL region will be diagnosed, and analyzing the pedestal physical mechanism, to reveal the causation and physical principle of the displacement. The diagnosis was made by using a modified high spatiotemporal resolution probe combined with laser coherent scattering and multichannel microwave reflectometer, to exploring the instability behavior evolution and transport mechanism of ETG, causing by the displacement between the temperature and density pedestal. Finally, to clarify the effect of the corresponding instability ETG mode on the pedestal structure and plasma confinement quality, combined with ELITE pedestal program. So as to can effectively chose the ELM active control method to attain the optimized discharge parameters of the long pulse and stable H mode. At the same time, this project also is significant to give a theory guidance for EPED mode.

边界局域模主动控制对CFETR、ITER等未来聚变工程实验堆实现高约束模放电具有非常重要的意义，但也面临着许多新的物理问题。低杂波调制、杂质注入等均会导致温度和密度台基位置发生偏移，带来额外的电子温度梯度驱动模(ETG)不稳定性，改变台基的高度和梯度，影响等离子体的整体约束性能。针对这一问题，本项目拟通过对台基和SOL区域粒子流、热流的电磁诊断以及台基结构的物理分析，揭示造成温度、密度输运垒偏移的物理机制。利用修正的高时空分辨率探针，结合激光相干散射和多道微波反射仪，探索温度、密度输运垒偏移导致的ETG不稳定性行为演变和输运规律，并与ELITE程序台基稳定性分析相结合，从而阐明ETG不稳定性对台基结构和等离子体约束性能影响的机理。该课题研究能够为有效选取主动控制ELM手段提供理论指导，对维持长脉冲高约束模放电的稳态运行具有极其重要的意义，并为EPED模型的优化提供很好的实验理论支撑。

稳态的长脉冲高约束模放电是未来核聚变反应堆的基本参考运行模式之一。但极大的边界瞬态热负荷，使偏滤器靶板、第一壁材料和装置寿命都面临着巨大的挑战。低杂波可以改变边界的磁拓扑结构。这种磁扰动不仅可以缓解边界局域模（ELMs），也会导致温度和密度台基位置发生偏移，带来台基不稳定性的爆发，进而影响等离子体的整体约束性能。基于EAST装置我们探究在低杂波调制下，ELMs的演变规律随着等离子体宏观参数的变化规律。发现低杂波加热可以有效的降低台基电子密度和改变温度剖面，造成台基压力梯度增加，以及台基自举电流的增加。较低的台基密度和较高的台基温度能够有效的降低台基的碰撞率。而台基碰撞率的降低可以有效的增大自举电流，进而导致不稳定性边界发生移动，紧接着导致较不稳定的ELMs触发，也就是说低杂波能够对ELMs诱导激发。我们对比了两种ELMs调制情况下电子密度剖面结构，发现在ELMs触发情况下，密度受低杂波调制的影响范围深，低杂波导致的随机层宽度可以跨过最外闭合磁面进入台基顶部以内。而低杂波抑制ELMs的情况下，密度台基顶部几乎不发生改变，仅仅在台基底部区域对低杂波响应。发现ELMs抑制的情况，电子密度对低杂波的响应深度要远远小于触发的情况，归因于其比较大的密度台基顶部值。而对应的中n和高n的剥离气球模能够被大的离子逆磁频率所致稳。只有当电子密度台基值比较高的情况下，造成台基顶部对低杂波不响应，ELMs才会出现抑制现象。同时低杂波扫描环境下的边界靶板粒子饱和流对低杂波的响应情况也进行了详细的探究，通过边界电磁不稳定性分析发现，边界靶板的粒子饱和流变化规律在不同阶段电磁响应不同。在没有打击点撕裂的情况下，电磁波动主要是对主打击点响应，而当边界靶板粒子饱和流出现撕裂，不稳定性波动主要对次打击点粒子通道响应。该项目的研究成果对维持高约束模等离子体的稳态运行和发展台基结构预测模型均具有重要的研究意义，也能够为未来新一代聚变堆装置建设提供坚实的实验理论支撑。