EAST上低杂波引起台基区密度排出现象及潜在机理研究

Effective control of edge-localized modes using lower hybrid waves has alreadly been demonstrated by EAST experiments. However, the mechanisms behind still remains a mystery. Choosing the commonly-observed density pumping out phenomenon induced by lower hybrid waves in our previous experiments as the key breakthrough, in this project we plan to systematically study and summarize the experimental law of this phenomenon with varied parameters through further dedicated experiments, and analyse the specific influence induced by lower hybrid waves on edge particle transport qualitatively or quantitatively, utilizing multi methods. Furthermore, the potential mechanisms behind lower-hybrid-wave-induced density pumping out at pedestal are going to be deeply investigated incorporation with related theoretical and numerical analyses. These studies can remarkably enhance our understanding about the physical processes and mechanisms of effective controlling of edge-localized-mode behavior using lower hybrid waves, and thus provide very important experimental foundations and theoretical basises to the next-step operation window expansion and optimization of this newly-developed attractive method in the issue of edge-localized-mode control, which should contribute a lot to, not only achievement of long-pulse operation in EAST with high performence, but also better solution, proposed for ITER and next-step fusion reactors, to the critical issue about the serous transient heating loads on divertor plates due to the crashes of type-I or giant edge-localized modes.

利用低杂波实现对边界局域模的有效控制，已经在EAST超导托卡马克上得到了初步实验验证。然而，其物理机制迄今尚不十分明确。本项目以前期实验中低杂波注入引起密度排出的普遍观测作为关键突破点，通过进一步开展针对性物理实验对该现象所呈现的参数依赖规律进行系统研究和总结，采用多种研究方法就低杂波对EAST边界粒子输运的具体影响展开定性或定量分析，并结合相关理论模型和数值模拟工具深入探明低杂波引起台基密度排出现象的潜在物理机制。这些研究工作的有效开展，可以显著提升我们对于使用低杂波控制边界局域模行为相关物理过程和机理的认识水平，从而为针对这一崭新的边界局域模控制手段的进一步参数区拓展和方案优化，使其得以更好服务于EAST实现高参数长脉冲运行目标，并且就未来ITER和下一代聚变反应堆装置所面临的第一类或巨型边界局域模爆发造成严重的偏滤器瞬态热负荷问题提出更好解决方案，提供重要的实验基础和理论依据。

实现对大幅度边界局域模（ELM）的有效控制关系到包括ITER在内的未来聚变堆装置的使用寿命和装置安全。作为控制ELM行为的新方法，低杂波（LHW）注入于EAST装置相关物理实验首次提出并进而推广到HL-2A托卡马克装置，充分证明了其有效性。然而，迄今LHW影响并控制ELM行为特征的潜在机理仍不清楚，严重阻碍了该方法在现有托卡马克装置上的优化乃至推广到未来聚变堆运行条件。.本项目针对该问题，依托EAST大科学装置，以LHW注入普遍引起的台基区电子密度排出现象为突破点，以开展针对性物理实验为主，并紧密结合相关数值模拟分析，通过系统研究LHW引起台基密度排出现象及其潜在物理机制，进而实现对利用LHW控制ELM特征行为的过程和机理的深刻理解。在本项目大力支持下，我们首先进一步完善了关键边界诊断系统和相关数据处理和分析工具；其次，成功开展了LHW控制ELM的针对性物理实验，系统观测了LHW注入对台基结构特别是密度分布和密度排出现象的影响。并且，结合数值模拟，对LHW引起密度分布改变和密度排出现象的潜在物理机制以及对ELM稳定性产生的影响展开深入分析；再次，深入实验研究了LHW注入对于刮削层区域blob丝状结构的行为特征和驱动输运能力的影响，探索了潜在物理机制；再次，利用不同台基诊断工具首次针对LHW注入对多尺度湍流结构的影响开展实验观测；最后，在高功率加热、较低台基碰撞率的实验运行中利用LHW成功拓展了完全非感应电流驱动的零星小ELM运行区间。.这些研究内容以及成果的获得，极大地丰富了EAST上使用LHW注入控制ELM行为的实验数据库，显著加深了对相关物理机制的理解。从而，为EAST装置上进一步优化和发展该技术，以及推动LHW能够作为有效控制ELM行为的新手段成功应用于未来聚变堆装置提供了重要实验依据和物理基础。