J-TEXT偏滤器位形下偏压电极驱动刮削层电流影响边界磁拓扑的研究

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托卡马克是最有希望实现可控核聚变发电的装置,其安全高效的运行是至关重要的。高约束模式下出现的边界局域模(Edge Localized Modes,ELMs)会导致偏滤器靶板承受极大的瞬态热负荷,可能损坏靶板并严重影响聚变堆的安全运行。因此,实现ELMs的有效抑制是目前的研究热点。作为ELMs控制最有效的手段,共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation,RMP)场实现ELMs抑制的关键原因在于激发磁岛、调控等离子体边界的磁拓扑结构。在聚变堆上,常用的RMP线圈可能面临聚变堆中子辐照的问题,需要寻找其他产生RMP的方法。通过在刮削层(Scrape-off Layer,SOL)施加偏压,驱动等离子体形成非轴对称(Non-Axisymmetric,NA)的SOL电流,也可以产生RMP场并可能影响边界磁拓扑。本文利用J-TEXT托卡马克的偏压电极系统,通过模拟和实验研究了极向偏滤器位形下SOL电流对于边界等离子体参数以及磁拓扑的影响。模拟方面,发展和完善了描述偏压电极驱动的SOL电流模型,更好地描述了NASOL电流及其产生磁场的分布。并将其拓展到偏滤器位形,通过模拟获得了边界磁拓扑的变化。针对已有的限制器位形模型,引入等离子体电阻率径向分布,研究了SOL电流空间分布的变化,模拟得到的限制器收集电流与实验测量更为吻合。为进一步描述横越磁力线电流的存在,考虑了SOL电流沿磁力线的线性衰减,获得的SOL电流所产生磁场与实验测量基本一致。开发了偏滤器位形下的NA-SOL电流模型,模拟表明SOL电流可以产生较强的边界共振分量,并显著改变边界磁拓扑,导致磁力线随机化并在X点附近产生三维不对称的瓣状(lobes)结构,其可进一步导致打击点分裂。实验方面,在J-TEXT上首次开展了偏滤器位形下驱动SOL电流的实验。实验中,发现了SOL电流能调制边界等离子体参数和改变磁拓扑结构。通过脉冲调制NASOL电流,测量到其产生的磁场具有与模拟结果一致的非轴对称特征,表明实验中NA-SOL电流可以产生RMP场。调制的SOL电流还可以影响离子饱和流、悬浮电位、电子密度等边界等离子体参数。通过驱动直流NA-SOL电流,在相机获得的可见光辐射二维照片中观察到上打击点处出现了明显的打击点分裂。与模拟的边界磁拓扑对比表明,NA-SOL电流产生的RMP场能有效地改变边界磁拓扑结构。本文通过J-TEXT偏滤器位形下系统的模拟和实验研究,证实了由偏压驱动的非轴对称SOL电流可以改变边界磁拓扑,形成瓣状结构并造成打击点分裂,为未来聚变堆上基于偏压靶板驱动SOL电流控制ELMs提供了关键的物理可行性验证。
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