托卡马克高betap等离子体中的台基结构研究

In the tokamak plasmas, the pedestal structure has import effects on the plasma performance. It is a hot topic in the field. At present the EPED model is widely accepted by the community to predict the structures of pedestal. However recently in the DIII-D/EAST joint experiments，in some DIII-D high betap discharges the pedestal structures predicted by EPED model do not agree with the experimental values. Meanwhile the experiments show that the internal transport barrier (ITB) is related with the pedestal structures. This work will systematically study the pedestal structures in the high betap experiments on DIII-D and on EAST. We aim to find out the trend of the pedestal dependence on the discharges parameters, analysis the relationship between the ITB and pedestal structure, improve the EPED model by replacing the equilibrium solver and introducing new parameter to make it a better prediction model. Moreover, we will work with diagnostic experts to study the pedestal turbulence in the high betap discharges, and use BOUT++ simulations to study the micro instabilities in the pedestal region, explore the physical mechanism behind the pedestal structure.

托卡马克等离子体中，台基（pedestal）结构极大的影响了等离子体的性能，是当前国际上的研究热点。EPED模型是目前国际上广为接受的预测台基结构的模型。但在最近进行的DIII-D/EAST联合实验中， DIII-D上一些高betap放电条件下， EPED模型预测的台基结构与实验不符，同时实验表明，内部输运垒（ITB）与台基结构密切相关。本研究将对DIII-D和EAST的高betap实验中的台基结构进行系统的研究，找出不同参数下台基结构变化的规律，分析ITB与台基结构的相互关系；改进EPED模型，使用更灵活的平衡计算模块，并尝试在EPED引入新的参数，使EPED更好的预测台基结构。此外，本研究将与实验诊断人员合作，对高betap放电中台基湍流的特征进行实验分析；并使用BOUT++程序开展数值模拟，研究台基区的微观不稳定性，探索台基结构背后的物理机制。

本项目按照任务书的目标，对EAST和DIII-D上高betap放电的台基结构进行了研究。实验分析发现有ITB的情况下，台基高度低于EPED模型预测的高度。我们认为这是因为含有边界成分的n=1全局模限制了台基的高度。我们在EPED的基础发展了REPED模型，使用灵活的平衡模块TEQ来计算平衡位形，比EPED模型有更广泛的适用性，方便的应用于任何托卡马克位形和剖面的等离子体。将REPED模型应用于EAST和DIII-D不同实验条件的放电，验证了该模型的有效性。使用REPED模型，我们研究了EAST典型放电的台基结构，分析发现，EAST台基的宽度仍然遵循Δ=C betap^(1/2)的定标律，但系数C约为0.12，大于别的装置的C值（比如DIII-D的C约为0.076）。REPED模型也被应用于分析DIII-D上氦等离子体的台基结构特征，发现REPED模型能较为准确的预测氦等离子体台基高度，但宽度系数为0.09，大于氘等离子体放电。我们还将REPED模型应用于预测CFETR不同位形下的台基高度，发现在相同等离子体参数条件下，雪花偏滤器的台基高度略高于标准位形的台基高度。目前REPED模型已经集成到集成模型中，用于更好的预测和分析等离子参数。.本项目共发表SCI期刊论文8篇（均标注本项目资助），其中2篇为本项目第一标注。培养3名博士生获得博士学位。项目成员多次参加国内外会议，与国内外同行开展了广泛交流。