等离子体所在误差场锁模非线性物理研究方面取得新进展
时间 : 2021-05-10     

近日,EAST大科学工程团队孙有文三维物理课题组在误差场锁模研究方面取得了新进展。研究成果以“Penetration of n = 2 resonant magnetic field perturbations in EAST”和“Density scaling of error field penetration in radio-frequency-dominant heating plasmas in the EAST tokamak”为题发表在核聚变领域权威期刊Nuclear Fusion [Ren J., Sun Y. W., Wang H. H., et al, Nucl.Fusion:61, 056007 (2021) 和Ye C., Sun Y. W., Wang H. H., et al, Nucl.Fusion:61, 056010 (2021)]。 

由误差场渗透引发的锁模现象是引起等离子体大破裂的重要原因之一,也是装置高参数稳态运行面临的挑战之一。为此,为了阐明误差场锁模的物理规律,近二十年来,国际上主要的托卡马克装置为此开展了大量的误差场锁模定标实验研究。EAST装置自从共振磁扰动(RMP)系统建立以来,针对目前国际上误差场锁模研究悬而未决的问题开展了一系列误差场锁模相关的实验和理论研究。课题组前期开展了EAST固有误差场测量[Wang H. H., et al, Nuclear Fusion:56, 066011(2016)],并通过理论自洽解释了EAST观测到的误差场锁模阈值与多物理参数之间的定标关系[Wang H. H., et al, Nuclear Fusion:58,056024(2018); Wang H. H., et al, Nucl.Fusion:60,126008(2020)]。研究成果得到了韩国KSTAR和美国DIII-D两大装置的证实。  

课题组在前期工作的基础上,利用误差场锁模评估了EAST装置n=2固有误差场的大小,并详细研究了托卡马克等离子体非线性模式耦合的现象。评估指出n=2的固有误差场非常小,有利于装置运行到更高参数区间。更为重要的是,在n=2误差场锁模引起n=1锁模实验中,首次直接观测到锁模期间非线性耦合证据(图1)。该研究有助于共振磁扰动对边界局域模控制的物理机理理解以及推动ITER关注的三维磁扰动高n模式下芯部-边界控制兼容物理问题的解决,同时也为未来的锁模理论模型发展提供了方向。  

与此同时,为了进一步阐明误差场锁模理论的适用范围,课题组在射频波加热下研究了误差场锁模阈值与密度之间的定标关系。通过研究发现,误差场锁模理论可以突破欧姆能量约束时间的限制,进一步应用到更大的参数区间。为了进一步理解误差场锁模非线性物理过程,课题组还与大连理工大学王正汹团队合作,在误差场锁模物理区间中,开展误差场锁模的模拟工作,证实了EAST误差场锁模实验中的理论分析和结论(图2)。该研究进一步证实了EAST之前获得的结论:托卡马克误差场锁模可以在理论模型和实验上面得到自洽的结果。这意味着可以依托理论模型评估未来托卡马克聚变装置的误差场容忍度。  

研究结果对于以后聚变堆设计以及评估聚变堆能否稳态高参数运行具有重要的科学意义和应用价值。相关研究受到国家重点研发、国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项等项目的资助。  

论文链接:  
  1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abea57   2. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abeed5 

  
  图1. EAST直接获得误差场锁模实验非线性耦合证据

 
图2. EAST误差场锁模密度定标理论、模拟和实验吻合