等离子体所在混合环向模数磁扰动场抑制边界局域模研究方面取得新进展
时间 : 2019-01-16     

近日,EAST团队孙有文研究员课题组利用混合环向模数的共振磁扰动场,在中美联合实验中成功实现了对边界局域模的完全抑制。证明了这种混合环向模数的共振磁扰动与单环向模数相比,能够有效降低抑制ELM所需的线圈电流,同时揭示了其中一个分量的非线性响应渗透过程对于实现ELM抑制的关键作用。相关成果由博士生顾帅以“Edge localized mode suppression and plasma response using mixed toroidal harmonic resonant magnetic perturbations in DIII-D”为题发表在核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion上。  

近年来,托卡马克装置上对高约束运行模式下的ELM控制已经取得了很多重要突破,多个装置上的实验已证实通过外加RMP场在一定条件下可以实现对ELM的完全抑制或者弱化,从而有效缓解ELM给偏滤器靶板带来的脉冲式的热负荷所造成的材料腐蚀损坏等问题,为将来的磁约束聚变堆装置如ITER等提供了解决瞬态热负荷问题的可行方案。但是对RMP控制ELM的物理机制的理解仍然很欠缺,将这一控制手段向未来聚变装置外推的能力也有很大的不确定性。 

课题组在DIII-D装置中美联合实验中开展了模数n=2和n=3的混合环向模数的磁扰动对ELM进行控制的实验。如图1所示,混合模数的磁扰动可以有效降低实现ELM抑制所需的电流阈值。该结果证明这种混合环向模数的RMP控制方案能够降低ELM控制系统的能源消耗与电源需求,这对于RMP抑制ELM的物理机制理解和工程经济实用性推广都有重大意义。研究同时还阐明了等离子体线性和非线性响应分别对于ELM抑制的作用,揭示了使用混合模式的RMP实现完全抑制的关键机制。如图2所示,在ELM控制效果从弱化向抑制转变时,观察到了n=3的等离子体响应的非线性跳变,而n=2的响应没有。这表明在实现ELM抑制的过程中,n=3的边界分量发生了渗透,而n=2的边界分量则有效辅助了该过程的发生。此外,如图3所示,在对等离子体响应的模拟中,对ELM弱化期间使用强屏蔽模型,能够重建ELM缓解期间的等离子响应的模结构与相位(蓝色点与线在上下图中均吻合较好);而对于ELM抑制期间的模拟使用弱屏蔽模型,则只能重建ELM抑制期间的等离子体响应模结构,无法重建其相位(红色点与曲线在上下图中结构吻合较好,但有一定偏移)。这表明对于ELM弱化阶段,现有模型已经可以很好的完成等离子体响应的模拟;而对于ELM抑制阶段,由于RMP渗透过程的发生,需要在现有的模型中进一步引入双流体效应与非线性效应,因此这一成果也为接下来进一步的研究指明了方向。 

以上工作获得等离子体所相关科研人员的鼎力支持,同时也得益于国际同行的合作,特别是美国通用原子机构合作者的共同研究,并得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、美国能源部等项目的资助。 
  文章链接:  http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaf5a3  

  
  图 1 相较于使用n=3的共振磁扰动线圈抑制ELM,使用2、3混合的模式可以有效降低其所需的电流 
    
  图 2 ELM抑制时n=3的等离子体响应的跳变,说明该分量的非线性响应渗透过程是实现ELM抑制的关键机制 
    
  图 3 强屏蔽模型很好地重建了ELM缓解时的等离子体响应模结构和相位;而对ELM抑制过程,弱屏蔽模型能够重建模结构,但相位与实验结果有相位差