模拟研究射频波鞘层边界对边界局域模及其湍流输运的影响

In this program, the RF sheath boundary condition is applied in the six-field two-fluid model and shift-circle geometry under BOUT++ framework. The effect of RF sheath boundary condition on the edge localized mode and the turbulent transport is studied. This program will be the foundation of the future work which will study the effect of RF sheath boundary on the edge plasma and the heat flux on the divertor target due to the ELM under divertor geometry. In the simulation, the RF wave antenna and the protecting limiter are placed at the outer middle plane in SOL, while the ‘limiter’ below refers in particular to the protecting limiter. RF wave is the primary heating method in Tokamak experiments, including EAST and ITER. Imperfect alignment of the equilibrium magnetic field with respect to the antenna and walls can generate unwanted slow waves. The parallel electric field will affect the thermal motion of electron and ion toward the limiter and result in the RF sheath boundary condition. The RF sheath boundary condition not only changes the electric potential in SOL, but also changes the electric potential inside the separatrix through the momentum transport. The shear flow due to this radial electric field will affect the ELM and its turbulent transport. On the other hand, the sheath boundary condition in SOL will also locally affect the turbulent transport and then affect the heat flux distribution on the limiter surface.

本项目在圆位形中，引入射频波鞘层边界，利用BOUT++框架下的六场物理模型，研究射频波鞘层边界对边界局域模及其湍流输运的影响，为在偏滤器位形中模拟射频波鞘层边界对边界等离子体的影响和ELMs在偏滤器靶板上的热流沉积打下基础。在模拟中，我们将射频波天线及其保护限制器放置在圆位形刮削层的最外中平面上，文中所说的限制器也特指保护天线的限制器。在托卡马克等离子体中，射频波是加热等离子体的主要手段之一。当磁场不能与天线完全耦合时，射频波会在刮削层中产生一个慢波分量，其平行电场会改变刮削层中电子离子向限制器表面的运动，形成射频波鞘层边界。射频波鞘层边界不仅改变了刮削层内的平衡电势分布，通过旋转动量的径向输运，也会改变分离面内侧附近的平衡电势。径向电场引起的剪切旋转，会影响到边界局域模的爆发及其湍流输运过程。同时刮削层中的鞘层边界也会影响局部的湍流输运，进而影响限制器表面的热流分布。

在托卡马克等离子体中，射频波是加热等离子体的主要手段之一。当磁场不能与天线完全耦合时，射频波会在刮削层中产生的慢波分量使得天线保护限制器表面形成射频波鞘层边界，进而改变边界的径向电场分布。边界局域模是发生在等离子体边界，由压强梯度和电流梯度共同驱动的一种不稳定性模式，它的爆发会限制芯部等离子体的参数，并导致装置中约束的能量大量流出最外闭合磁面，并打击到装置内壁及偏滤器上。边界径向电场分布对边界局域模的爆发以及边界的湍流输运过程都有较大的影响，在本项目中，我们发展了一套自洽的边界径向电场计算模型和程序，计算偏滤器位形下，受射频鞘影响时边界的径向电场分布。通过建立新的物理模型，解决了其他模型中需要计算高阶微分的数值问题。模型计算结果与实验上观测到射频波加热时的径向电场分布一致，在最外闭合磁面附近径向电场方向改变，同时在最外闭合磁面附近也会存在较强的剪切流，以及由剪切流引起的湍流结构，解释了实验上观测到射频鞘加强天线附近径向湍流输运的现象。结合输运程序，模拟了输运过程中边界径向电场的变化。通过与BOUT++下开发的单粒子轨道程序耦合，可以模拟射频波加热时，保护限制器表面溅射杂质粒子的沉积。将模型计算得到的电场分布与BOUT++中模拟边界局域模的双流体模型结合，研究了电场分布对边界局域模爆发的影响，发现射频鞘导致的电场分布将边界局域模释放的自由能从主导模数分散到多模上，进而有效抑制湍流阶段的能量损失。双流体模型中，在等离子体遇到保护限制器或者偏滤器靶板时，发展了自洽的鞘层边界条件，使得程序对热流分布的模拟更加贴近实验。该项目的研究成果可以用来计算射频波加热时边界径向电场的分布，并且为预测射频鞘对边界局域模及随后湍流输运过程的影响、热流沉积提供了可靠的数值工具。