托卡马克等离子体对外加低环向模数磁扰动响应的实验研究.docx

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1、托卡马克等离子体对外加低环向模数磁扰动响应的实验研究边界局域模(ELM)控制是ITER及未来磁约束聚变堆安全运行必须解决的一个关键问题。大量实验研究已经证实外加磁扰动能可靠地控制ELM。相比于外加高环向模数(n)磁扰动,低n磁扰动可以由布置于托卡马克真空室外的鞍形线圈产生,在安装、运行与维护等方面比内部线圈更加方便、可靠,更适合应用于聚变堆。但是,将低《磁扰动用于控制ELM时,其低极向模数(m)的共振分量对于芯部磁流体不稳定性的影响较大,可能在芯部形成锁模磁岛,降低等离子体约束性能甚至导致大破裂。研究等离子体对

2、低n磁扰动的响应,对于利用低n磁扰动可靠控制ELM,避免其对芯部磁流体不稳定性的不利影响,补偿误差场等多个方面都具有重要的意义。本论文在J-TEXT和ASDEXUpgrade托卡马克上分别开展了等离子体对外加低环向模数磁扰动响应的实验研究。在J-TEXT无撕裂模的等离子体中,观察到等离子体对外加m/n=2/1的共振磁扰动(RMP)呈现两种不同特征的响应,即屏蔽响应和穿透响应。当外加RMP幅度较小时,等离子体磁响应的相位与RMP相位相反,响应幅度随RMP强度线性增加,反映了共振面对RMP的屏蔽效应。当外加RMP强

3、度超过特定阈值时,磁响应幅度会迅速增加,其相位快速变化到接近与RMP相位同相。这表明等离子体由屏蔽RMP变为放大RMP,RMP穿透共振面,并激发了大的锁模磁岛。在穿透过程中,等离子体环向转动快速变化,锯齿振荡消失,芯部密度和温度大幅下降。统计研究发现了RMP穿透阈值正比于电子密度的0.5次方。当存在2/1锁模时,通过实验、唯象模型和非线性模拟三种途径,全面地研究了等离子体对高频转动2/1RMP的响应,证实了由转动RMP驱动的锁模相位受迫振荡。在实验中,等离子体磁响应呈现出类似驻波的特征,且驻波的节点位于2/1锁

4、模的O点和X点附近。在2/1锁模内部或O点、X点附近的电子温度响应几乎为零或者为最小值。这些特征和无撕裂模时的屏蔽响应差异极大,暗示其激发机制不同于单纯的屏蔽响应。在唯象模型方面,提出了转动RMP通过给锁模施加周期性电磁力矩而驱动锁模相位振荡。该模型表明驻波型响应主要由锁模相位振荡与等离子体参数的极向梯度共同导致,成功地解释了实验观测到的响应特征。非线性模拟的结果证实了锁模相位的受迫振荡,并且定性地验证了唯象模型所预测的等离子体响应、锁模相位振荡和转动RMP三者在幅度和相位上的相互依赖关系。在ASDEXUpgr

5、ade上发现了高约束模等离子体对外加磁扰动存在两个时间尺度的响应。利用外加转动的n=2磁扰动,观察到等离子体在ELM崩塌间隙的慢尺度磁响应。该响应具有以n=2为主导的环向结构,且其幅度受外加磁扰动谱结构的影响。在高场侧和低场侧观察到了不同的响应特征,暗示存在多种模数的等离子体响应,且高场侧响应与ELM缓解关系可能更为密切。利用外加n=1磁扰动,还观察到在ELM崩塌过程中的快时间尺度响应,即首次发现了ELM崩塌激发模结构被外加磁扰动显著影响。在没有外加磁扰动时,ELM激发模结构的相位呈现随机分布。但是,当外加n=

6、1磁扰动时,ELM激发模结构的相位被锁在某个依赖于外加磁扰动相位的固定值上。此外,还观察到了n=1磁扰动对ELM崩塌期间边界AXUV辐射环向不对称性的影响。