台基不稳定性及其对台基结构和输运影响的实验和模拟研究

The theoretical and experimental results indicate that the total confinement of the core plasma in a fusion device relies on the structure of pedestal on the edge, and the pedestal turbulence plays an essential role on the pedestal structure. Some kind of low frequency (20~80kHz) pedestal turbulence (shorted for LFT) with large amplitude has been observed during the construction and recovery of pedestal on HL-2A. The LFT contributes inward particle and heat flux, and is excited with increasing of the density, temperature and pressure. The main purpose of the project is to study the exciting mechanism and the mode structure, as well as the transport characteristics of pedestal turbulence during the construction and recovery of the pedestal on EAST. We will use BOUT++ to simulate the evolution of the pedestal, and the results will be used to compare with the experimental observations. These studies will have important physical implication to improve and control the parameters of the pedestal.

本项目将主要依托国家大科学工程EAST以及结合HL-2A已有的实验结果对H模放电期间所激发的台基湍流进行研究。理论和实验结果表明，一个聚变装置中芯部等离子体的宏观约束性能与台基的结构有很强的依赖关系，而台基的建立、恢复以及最终的结构则很大程度上是受到台基湍流的影响。在HL-2A上已有的实验结果表明，L-H模转换之后的台基建立过程中以及ELM爆发间隙的台基恢复过程中具有出现一种涨落幅度很大的低频台基湍流(简称：LFT)。LFT主要贡献径向向里的反常粒子和热输运通量。LFT的激发伴随着台基区温度，密度及压强的增加。因此本项目将主要研究台基建立和恢复过程中所激发的台基湍流的产生机制、结构特征及其所贡献的反正输运等特征，并与BOUT++的数值模拟结果进行对比。这些研究对于理解台基的建立和恢复背后的物理机制以及探索调控台基结构的方法具有重要意义。

本项目主要依托国家大科学工程EAST以及结合HL-2A已有的实验结果对H模放电期间所激发的台基湍流进行了研究。理论和实验结果表明，一个聚变装置中芯部等离子体的宏观约束性能与台基的结构有很强的依赖关系，而台基的建立、恢复以及最终的结构则很大程度上是受到台基湍流的影响。在项目的资助下，在HL-2A上专门设计了一套四台阶探针系统，能够同时测量了四个不同径向位置电子密度、温度、压强以及悬浮电位以及各物理量的梯度随时间的演化。通过发展的探针系统对三类ELM（Type-III ELM）的台基恢复过程以及L-H转换之后的台基建立过程，以及过程中的台基湍流的特征进行了研究。通过探针探测到了位于等离子体边界的一种低频的静电模式，频率为20kHz-120kHz，通过不同极向位置测量结果对低频模的模结构进行分析，发现这种模式在等离子体坐标系下是在离子逆磁漂移方向旋转的。本研究通过不同径向位置的探针对模驱动的粒子通量进行了直接的测量。测量结果表明这种低频相干模能顾驱动很强的向内的粒子通量，低频相干模驱动的粒子通量是如此的强以至于能够和偏滤器靶板打击点位置的粒子通量相比。这种模式能够在L-H转换之后的台基建立过程以及三类ELM之间的台基演化过程中观察到，对于台基的演化起重要作用。研究还通过对电子密度、温度以及压强的测量，研究了三类ELM之间台基的演化过程。实验结果表明三类ELM的台基演化过程分为三个阶段。在第一个阶段，台基处于准静止状态，台基在缓慢恢复并且台基湍流被很强地抑制。第二阶段温度台基很快增长，但密度台基却基本保持不变。第三个阶段温度台基的增长减缓，密度台基开始增长，压强台基也随之开始增长。之前的低频相干模是在台基演化第三个阶段观察到的。这种低频相干模是温度梯度驱动的，它的激发能够限制温度梯度的增长，但是由于其能够驱动很强的向内的粒子流，低频相干模能够帮助密度台基的建立，进而促进压强台基的恢复。当压强达到某个阈值之后能够触发气球模不稳定性，从而触发ELM的爆发。