高约束模式下边界杂质注入对第一类边界局域模输运行为影响机理的研究

With the promotion on capacity of heating power and the stepwise replacement of the metal wall on EAST, type-I ELMs released from high confinement mode (H-mode) plasma tends to cause serious erosion of the plasma facing material. This project proposes to mitigate type-I ELMs using impurity seeding in the pedestal plasma of low collisionality on EAST. In particular, excitation and modulation of edge quasi coherent modes (ECM) could be practically achieved in this way by increasing the pedestal collisionality. The ECM drive continuous transport of particles and impurities in pedestal, facilitating the access of small/no ELM H-mode regime. The measurements with gas puff imaging system and edge probes system will be performed during the intrinsic type-I ELMs and mitigated type-I ELMs to study the particle and heat transport in the pedestal plasma, which attempts to reveal the impact mechanism of impurity seeding on ELM transport. To evaluate the contribution of ECM on the plasma transport in the pedestal, the property of pedestal fluctuations and turbulence transport during ECM will be studied in detail. Furthermore, with the measurements in the scrape-off layer (SOL), the effect of impurity seeding on the radial transport of ELMs and associated power load in the SOL could be demonstrated. The results of this project will provide valuable reference on the control of large ELMs in H-mode plasma operated with radiating divertor.

随着EAST注入功率的提高和金属壁的不断升级，高约束(H模)等离子体释放出的第一类边界局域模(ELM)将对装置壁材料造成严重的侵蚀。本项目依托EAST托卡马克聚变实验平台，在低碰撞率台基区利用边界杂质注入的方式探索实现第一类ELM的缓解。项目特别提出利用边界杂质注入提高台基碰撞率, 激发和调节边界准相关模 (ECM)。 通过ECM增强台基粒子输运，获取伴有小ELM或无ELM 的高约束等离子体运行模式。同时依托EAST上两维充气成像系统和边界探针系统针对第一类ELM缓解过程中台基的粒子和能量输运开展研究，探索杂质注入对ELM输运的影响机理。详细测量ECM期间台基涨落和湍流输运特性，揭示ECM对台基输运的贡献。此外，通过刮削层(SOL)内的观测，研究揭示杂质注入对第一类ELM在SOL径向输运与能量沉积的影响。本项目的开展将为探索与辐射偏滤器相兼容的大ELM控制方法提供重要的科学依据。

本项目依托EAST托卡马克聚变实验平台，在低碰撞率台基区利用边界杂质注入的方式探索实现第一类ELM的缓解，揭示湍流在ELM缓解过程中的贡献，探索与辐射偏滤器相兼容的大ELM控制方法。项目在不同注入功率下、对弱锂化高再循环与强锂化低再循环条件下的台基湍流的基本特征进行了研究，在EAST上发现了三种ELM得到缓解的静态高约束模，伴随不同的台基湍流状态。（1）高碰撞率高再循环下，边界静电准相干模ECM主导边界粒子和能量输运，Da基线显著增强；（2）高碰撞率低再循环下，边界静电准相干模ECM逐步被新生的磁准相干模MCM取代，ECM模频率被展宽；（3）高碰撞率低再循环下，边界静电准相干模ECM消失，磁准相干模MCM成为主导的不稳定性模式，且频率展现出环向本征阿尔芬模的物理特征，但其并不具备较强的输运能力。项目对EAST上的第一类ELM的动力学过程进行了细致研究，第一类ELM爆发期间释放出数十个等离子体密度丝状结构，我们通过电磁探针测量证明了其具有携带边界电流进行径向输运的能力。ELM爆发间歇台基内部普遍观测到一种双频的密度准相干涨落，其中高频准相干涨落和低频准相干涨落在实验室坐标系下分别传播在电子和离子逆磁飘移方向，这种密度准相干涨落的产生可以延缓第一类ELM的爆发，但我们对其产生机理与物理属性还不清楚；在本项目的支持下，我们在高功率低碰撞率低旋转条件下，实现了杂草型ELM的稳态高约束模运行，ELM频率可以达2kHz以上，相对于第一类ELM，杂草性ELM的对靶板的峰值热负荷可以减少90%左右，我们利用BOUT++大型流体模拟程序进行了模拟，指出杂草性ELM的产生得益于较宽的台基分布和较高的边界密度。实验中，这种运行模式和未来聚变堆所期望的低碰撞率参数区，低旋转，以及金属壁，辐射偏滤器运行等都表现出较好的兼容性。