等离子体所在台基等离子体稳定性研究方面取得重要进展
时间 : 2017-07-27     

近日,等离子体所徐国盛研究员课题组在研究台基等离子体中E×B流剪切驱动静态高约束模式(QH模)放电中边界谐频振荡(EHO)的低环向模数扭曲模的线性不稳定性方面取得重要进展,相关内容以“E×B flow shear drive of the linear low-n modes of EHO in the QH-mode regime”为题发表于核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion杂志上[Nuclear Fusion, 57 (2017) 086047 (17pp)]。  

托卡马克高约束模式等离子体通常伴随有周期性的边界局域模(ELM)爆发现象,产生的瞬态热负荷会对装置偏滤器等结构带来损伤,抑制或减缓大ELM爆发是下一代聚变装置面临的重大挑战。QH模与未来聚变堆的台基低碰撞率参数条件相兼容,伴随EHO现象能不断向外排出粒子,避免杂质的积累和边界局域模的爆发,是一种十分理想的有希望应用在未来聚变堆上的高约束边界运行模式。实验发现随着E×B剪切流减小,伴随窄谱EHO的QH模转换为一种新的伴随低环向模数的宽谱电磁湍流的QH模,同时台基等离子参数进一步优化,为未来聚变等离子体在低扭矩条件下进入QH模带来希望,但其中具体的物理机制并不清楚。课题组结合DIII-D装置上典型QH模实验数据,建立物理模型分析了E×B流剪切对低环向模数的扭曲模线性稳定性的影响,进一步揭示了QH模放电中EHO和宽谱电磁湍流的驱动机制,有助于实现CFETR和ITER等未来聚变堆在台基低碰撞率和低扭矩条件下进入QH模,从而避免大ELM爆发造成的瞬态热负荷等问题。  

以往利用ELITE和MINERVA程序对台基稳定性分析的结果显示环向旋转剪切对低环向模数的稳定性影响较小,不足以解释实验中观测到的随着E×B剪切流减小,EHO变化的现象。近期利用M3D-C1程序对类似EHO的低环向模数模式的线性本征模分析显示这种模式可以由旋转或旋转剪切解稳,并且与旋转的方向无关,这与观测到的EHO实验现象一致。但是其中具体的解稳机制并不清楚。利用BOUT++程序的模拟结果表明,E×B流剪切可通过Kelvin–Helmholtz驱动解稳撕裂-气球模,但是有分析表明Kelvin–Helmholtz驱动在边界强磁剪切条件下是稳定的。课题组通过建立物理模型并计算分析得到的结果显示,不同于Kelvin–Helmholtz驱动,E×B剪切流通过改变广义涡量涨落量的径向分布,引起静电势模结构的径向展宽,使有理面附近磁力线进一步弯曲并使惯性致稳项减小,驱动扭曲模不稳定性。随着流剪切率的增加,模的增长率增加,宽谱模转换为低环向模数的窄谱模且与流剪切的方向无关,与实验现象相符。  
  文章链接:https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa7975