外加共振螺旋场对托卡马克等离子体密度影响的研究

Active control of magnetohydrodynamic instabilities, such as edge localized modes (ELMs), resistive wall modes (RWMs) and neoclassical tearing modes (NTMs), by using externally applied resonant magnetic perturbations (RMPs) have become a hot topic in magnetic confinement fusion. Recent experimental study finds that the application of RMPs changes plasma density, resulting in influence of plasma confinement. However, it is unclear about the responsible mechanism till now, especially on the role of plasma parameters, i.e. plasma rotation velocity, therefore to study and understand the mechanism is the basis of successful application of RMPs. In this project, we plan to study the influence of RMPs on plasma density in J-TEXT by using externally applied RMPs and changing the frequency and resonant component of RMPs. In the experiment, the role of plasma parameters, such as plasma rotation, edge safety factor and so on, will be especially studied in detail. In order to further understand the influence of RMPs on plasma density, numerical modeling based on two-fluid equations will be carried out, so as to provide the detail basic picture of the evolution of density caused by RMPs and the mechanism. Furthermore, experimental conditions for improvement of density by RMPs will be explored. The related research will be very helpful to give a well insight into the effect of RMPs on plasma density.

利用外加共振螺旋场控制等离子体中的磁流体不稳定性（边界局域模、电阻壁模、新经典撕裂模等）已成为当今国内外磁约束核聚变研究的热点之一。实验研究发现共振螺旋场的作用可能会改变等离子体密度，影响等离子体的约束性能。但是目前对其作用机制仍不清楚，特别是对等离子体转动速度等参数在密度变化中所起作用缺乏充分理解，研究共振螺旋场影响等离子体密度的作用机制是其积极应用的基础。本项目拟利用J-TEXT上的外加共振螺旋场，通过调节螺旋场的频率和模式，从实验上研究共振螺旋场对等离子体密度的影响，重点研究密度变化与等离子体转动、安全因子等参数的关系。采用双流体数值模拟，对实验结果进行图像解析，给出螺旋场改变密度的基本图像和作用机制；探索螺旋场提升等离子体密度的实验条件。项目的执行可为进一步理解共振螺旋场引起密度变化的物理机制提供参考。

外加共振螺旋场对托卡马克中边界局域模和电阻壁模的控制以及误差场校正都发挥着很重要的作用，但是螺旋场的应用往往会导致等离子体密度的下降和约束降低，是大装置和ITER要解决的问题。本项目在J-TEXT托卡马克上通过调整螺旋场系统的谱结构，实验研究了m/n=2/1，3/1和2/2等不同共振分量的螺旋场对等离子体密度的影响，并利用双流体数值模拟对螺旋场激发的磁岛影响密度的机理进行了研究。实验发现，螺旋场激发的2/1磁岛会导致密度显著下降、粒子涨落水平降低，同时密度下降幅度和快慢与磁岛大小紧密相关。我们利用3/1螺旋场在等离子体边界激发磁岛，会提升等离子体密度、改善粒子约束，并发现激发这一现象的螺旋场阈值与等离子体密度线性相关。实验发现，2/2螺旋场在等离子体芯部穿透会抑制锯齿振荡并导致密度上升。双流体数值模拟研究发现，螺旋场激发的磁岛会拉平磁岛区的密度分布，其作用机理是磁岛区的平行扰动电流会影响平行粒子输运，改变磁岛区的密度梯度。通过扫描螺旋场幅值和等离子体转动，研究发现螺旋场引起的密度变化与等离子体转动大小和方向有关。分析发现当等离子体相对于螺旋场在同电流方向转动时，合适强度的螺旋场会提升密度，反之引起密度降低，这一理论理解很好的解释了3/1螺旋场提升等离子体密度的实验结果。这些研究结果表明通过匹配螺旋场谱结构和等离子体转动条件，可以降低螺旋场引起的密度下降甚至利用螺旋场提升等离子体密度，这为大装置上螺旋场控制边界局域模如何优化约束提供了重要的研究基础。