EAST 托卡马克上ELM细丝结构的动力学过程研究

The intermittent enery and particles ejected from the core plamsas during edge-localized modes(ELM) in H-mode stage may cause damage to the first wall materials. It is a key problem to study the generation mechanism of ELM and the influential factors of ELM growing dynamics and explore the effective way to avoid or control the ELM in theoretical and experimental studies in advance tokamak research. It is indicated that the type-I ELM is the most dangerous ELM which has filamentary structure. The study of structure and growing dynamics of ELM filaments will enhance the understanding of the ELM mechanism. The proposal project will conduct the investigation of ELM filament dynamics in long duraton qusi-steady plasma in EAST tokamak.The process of type-I filament generation and growing will be measured and analyzed by high-speed CCD, Langmuir probes and magnetic probes.The time and space evolution of dimension size, electron density and temperature and move speed of filaments will be studied. The key parameters effect on the ELM filamentary structure will be explored. The study may provide useful database for ITER.

H-mode运行过程中存在的边界局域模（ELM）将会导致等离子体边界约束能量的间隙性爆发，形成的热流可能造成装置第一壁材料的损伤。因此研究ELM产生机理及影响因素，控制和避免ELM的出现是先进运行托卡马克实验和理论研究中的重要问题。研究表明type-I 型ELM是危险性最大的局域模不稳定性，其具有螺旋细丝结构。对type-I ELM细丝结构及其发展过程的研究将有助于对ELM机理的认识。因此本项目将依托EAST托卡马克装置，开展长脉冲稳态装置上ELM细丝的动力学过程研究。利用高速CCD诊断、Langmuir探针、磁探针对EAST装置H-mode放电过程中type-I ELM的细丝结构的发生、发展进行测量研究。对细丝的空间模数、尺寸大小、电子温度、电子密度及运动速度的时空演化过程进行测量，并研究对其影响的关键参数和机理，加深对ELM物理机理认识，为将来的ITER装置提供支持。

H-mode运行过程中存在的边界局域模（ELM）将会导致等离子体边界约束能量的间隙性爆发，形成的热流可能造成装置第一壁材料的损伤。因此研究ELM产生机理及影响因素，控制和避免ELM的出现是先进运行托卡马克实验和理论研究中的重要问题。. 本项目利用高速可见光CCD诊断、快动电磁探针及理论计算模拟对EAST装置H-mode放电过程中ELM的特性及其控制技术进行了测量、计算和分析。. 研究显示EAST上典型的type I ELM 的放电中，在一次ELM爆发中将出现一系列ELM细丝，每个ELM细丝由宽度在2-3cm量级含有较高电子密度和温度（1-2x1019/m-3 ，17-24ev）的螺旋粒子细丝带（管）构成，其螺旋结构的大环模式在n=6-10范围。细丝带在大环方向以6-10km/s速度沿磁力线运动，同时在径向上以1km/s量级的速度向外运动，且一个ELM爆发过程中ELM细丝的径向速度具有随细丝出现时间先后不断减小的趋势。但每个细丝向外运动过程中其径向速度不断增加，加速度为106-107 m/s2。细丝内存在电流密度为0.5MA/m2大小的电流，由此产生几个mT的径向和极向磁场。细丝在向外运动过程中，不断耗散，宽度减小。对EAST出现type-I 和type-III ELM的放电参数分析表明，辅助加热功率是影响ELM类型的关键因素。. 利用BOUT++程序对EAST上典型的H-mode放电进行了模拟计算，发现电子Hall效应对ELM的非线性发展具有重要作用。ELM由线性开始，进入非线性过程最后达到饱和。在线性过程主要由n20高模主导，而在非线性阶段主要以n=5模为主导，形成ELM细丝结构，并导致能量向偏滤器靶板的输运。. 开发了磁力学轨迹追踪程序TOP2D，利用其对外加共振扰动磁场下托卡马克边界磁拓扑结构的进行计算模拟，分析了RMP线圈电流，位相和模数对磁边界磁拓扑结构的影响。研究了等离子体响应对RMP控制ELM的影响，发现等离子体可以放大或屏蔽RMP的影响，通过改变上下RMP线圈的电流为相可以改变RMP对ELM控制的效果。实验结果验证了计算分析。. 项目的研究工作，将为EAST上进一步开展ELM机理和控制研究提供了有价值的技术和理论支撑。