边界局域模被缓解和抑制期间台基区湍流性质的研究

Edge localized modes(ELM) is MHD instabilities driven by the steep pressure gradient in the edge transport barrier(ETB). Between ELMs the edge pressure and current are recovered by the continuous outflow of plasma energy and particles in the reestablished ETB and continue to build up until the stability boundary reached again leading to the next ELM. The periodic collapse of the pedestal plasma leading to intermittent energy and particle pulses from the confined plasma onto plasma facing components(PFCs). In ITER, uncontrolled type-I ELMs are expected to cause significant impurity influxes into the main plasma and shorten the lifetime of PFCs including by evaporation and melting during these events. Unmitigated type-I ELMs could correspond to losses of up to 20% of the pedestal plasma energy resulting in 20 MJ energy loss per ELM which is nearly 20-30 times over the maximum value for controlled ELMs which is required for ITER safe operation（~0.66MJ）. So how to mitigate and suppress ELMs is one of the most important problems in magnetic controlled fusion. In 2012 we found that the pedestal turbulence can control the ELMs in SMBI and LHCD mitigation and suppression ELMs experiments on EAST, so the purpose of this program is: study the nature of the pedestal turbulence during ELMs mitigation and suppression by the advanced microwave diagnostics（two channel double polarization profile microwave reflectometer, two channel doppler back scattering system and eight channel doppler back scattering system）; analysis the mechanism of the pedestal turbulence driven ELMs mitigation and suppression.

边界局域模（ELM）是由边界高压强梯度驱动的不稳定性，单个第I类ELM大爆发造成的能量和粒子的损失最大可达台基区能量的20%，对于ITER而言，带来的瞬间能量沉积是第一壁材料允许的20-30倍，会严重影响ITER内部构件的使用寿命，甚至会损坏第一壁材料以及偏滤器靶板，导致反应堆无法正常运行。如何有效缓解和抑制ELM是磁约束核聚变物理的关键问题之一。在EAST托卡马克之前的超声分子束和低杂波加热调制抑制和缓解ELM的实验中我们初步观察到台基区湍流可以缓解ELM，本项目的研究目标是：在之前实验的基础上，利用先进微波诊断工具——两道双极化剖面微波反射仪、两道多普勒背向散射以及八道多普勒背向散射仪系统，测量ELM缓解和抑制期间台基区湍流的性质，分析台基区湍流缓解和抑制ELM的作用机理。

边界局域模的控制是目前磁约束核聚变急需解决的关键问题之一，本项目通过对边界局域模缓解和抑制期间台基区湍流模式特征以及输运性能的研究，寻找台基区不同模式的湍流在边界局域模缓解和抑制过程中的作用机制，探索稳定的高约束模运行区间。主要研究内容和成果分为三个方面：硬件升级和改进、发展模拟和数据处理程序以及实验研究无边界局域模运行区间台基区湍流的特征和输运性能。在硬件升级和改进方面，我们研制和搭建了可以同时测量八个不同径向位置湍流信息的八道多普勒背向散射仪系统，研发和测试了新的扫频梳状谱发生器以及五道扫频W波段多普勒背向散射仪系统，新搭建的两套系统已经成为EAST托卡马克主要的湍流诊断工具。在模拟和数据处理程序开发方面，发展新的多普勒频移计算方法——相位条件功率密度法，提高了多普勒频移计算的速度和精度；发展了二维全波模拟程序，模拟计算径向电场分布对多普勒背散射信号的影响，研究发现传播路径会对背向散射信号产生影响，使得多普勒信号的功率谱呈非高斯分布；且当密度涨落幅度大于6%时，非线性效应开始出现，从而更好的辅助我们对实验结果的理解。在实验研究方面，在EAST托卡马克上观察到类似于边界谐频振荡的台基区谐频相关模，实验论证了边界径向电场剪切在其激发过程中的重要作用，并通过互功率谱分析了HCM与背景湍流的非线性相互作用，发现HCM可以将能量从背景湍流转移到高频湍流，从而有效的抑制背景湍流，实现无边界局域模的运行状态；发现了边界局域模抑制期间台基区的宽谱湍流，研究了宽谱湍流的模式特征和输运特性；研究了测地声模的电磁特性，确定了其m=2的极向驻波结构，并与理论计算的结果进行对比；在国际上首次观测到H模运行条件下的测地声模，研究了GAM的三维对称特征，观测到在L-H转换过程中测地声模从连续谱GAM转化为本征模GAM，研究了测地声模与背景湍流的三波相互作用，论证了背景湍流在测地声模激发过程中的重要作用。