EAST托卡马克边界涨落及其对L-H转换及约束性能的影响

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边界等离子体的行为对磁约束等离子体的约束和输运起到至关重要的作用。但其固有的复杂和多样性导致迄今未能被充分的认识。特别是在高约束等离子体中,边界等离子体涨落及其带来的输运和约束问题仍然不清楚。本论文依托于EAST超导托卡马克,利用高时空分辨的边界诊断,以L-H转换和台基涨落作为出发点,对边界等离子体的涨落行为进行系统的实验研究。  本论文先简要分析低约束边界等离子体的行为,系统测量边界参数及涨落分布,验证径向力平衡关系,发现涨落导致的反常输运在EAST边界等离子体输运中占有重要的地位。  高约束模式(H模)是未来ITER获得高参数等离子体的基础运行模式,但自从1982年第一次获得H模开始,L-H转换的机理就一直是等离子体物理研究的难题。本论文研究了EAST实验中出现的不同L-H转换过程,包括转换之前的小幅度低频扰动、快速L-H转换以及伴随大幅度dithering扰动的Ⅰ-phase,发现等离子体背景湍流、湍流驱动剪切流和逆磁流在转换过程中都起到关键的作用。在L-H转换之前湍流与剪切流相互作用,形成了小幅度低频扰动,同时湍流雷诺胁强振荡的幅度和时序都支持湍流驱动剪切流的作用,为湍流驱动剪切流在L-H转换中的作用提供了重要的实验证据。湍流-逆磁流-湍流驱动剪切流组成的自调节系统是大幅度dithering扰动的原因。逆磁流的增长有可能是L-H转换的决定因素,而湍流通过雷诺协强向剪切流传递能量有可能是触发快速L-H转换的原因。  湍流与剪切流的相互作用不仅出现在L-H转换之前和转换时,在H模中同样也能发生。实验中发现,在转换之后,一种不同于L模主要湍流的高频宽谱湍流在EAST H模中随着压力梯度的建立得到激发并发展起来。宽谱湍流的增长、饱和以及扰动与低频大尺度剪切流扰动之间存在相关。低频大尺度剪切流与高频湍流相互作用,最终引起宏观输运的调制。  当湍流及输运被抑制,等离子体进入H模之后,如何在避免大幅度ELM爆发的前提下长时间维持H模是磁约束核聚变研究面临的一大难题。带有边界准相干模的H模运行模式是一种可能的解决方案。本论文深入地研究在EAST长脉冲H模边界陡峭压力梯度区出现的一只频率在15-100kHz的准相干模。静电探针和GPI测量发现准相干模局域在台基区,极向波长约10cm左右,对应的极向模数超过60,并且造成了可观的粒子和热向外输运。在某些情况下,准相干模爆发与调制能够形成类似于type-Ⅱ的小ELM。大型回旋动理学GYRO模拟显示,这一支模式有可能是耗散性捕获电子模。  本论文研究发现在EAST H模边界台基区存在多种准相干模。这些相干模的出现与陡峭压力梯度有关,并且通过输运,影响台基的结构演化。同时这些相干模之间存在三波相互作用,互相影响。不同强度、不同类型的边界准相干模行为可能是导致不同增强再循环H模以及不同等离子体约束状态的原因。
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