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高性能等离子体运行模式发展研究获进展

高性能等离子体运行模式发展研究获进展

  日前,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所DIII-D&EAST联合研究团队在DIII-D上进行了实验,该实验将2013年DIII-D/EAST联合实验中测试的高极向比压、高最小安全因子运行模式推广到了具有更高等离子体电流(0.8MA)和更高的归一化聚变性能参数的感应运行模式。该实验旨在探索最小安全因子大于2且具有低扭矩的可外推到EAST的长脉冲高性能运行模式,相关论文以Scenario development for high βp low torque 幸运28 plasma with qmin above 2 and 幸运28large-radius internal transport barrier in DIII-D 为题发表在《核聚变》(Nuclear Fusion, 57 (2017) 022016)杂志上。

  EAST等离子体预期运行在低扭矩、qmin>2、射频波主导加热、平衡NBI注入、强低杂波离轴电流驱动和自举电流的条件下。该实验发展的运行模式对于未来EAST实现长脉冲高性能运行具有非常重要的参考意义。该实验在最小安全因子大于2且低NBI注入扭矩(3~5Nm)的条件下获得了短暂的非常高的约束性能,H89=3.5(或H98,y2=2.1),βN~3.0。其优良的约束与在0.8MA等离子体电流下在大的小半径位置(ρ~--0.7)所有通道(ne,Te,Ti,VΦ)自发形成的内部输运垒有关。测量显示在内部输运垒形成的位置包括阿尔芬本征模和宽频湍流在内的涨落水平显著降低。线性回旋动理学模拟也支持强内部输运垒形成过程中大多数不稳定模式增长率的降低。模拟结果预示了湍流的强烈抑制以及某个正反馈机制可能在该过程中起作用,并导致大半径内部输运垒的自发形成。在不稳定的内部输运垒阶段,观察到边界局域模崩塌有助于大半径内部输运垒的瞬态形成。发现这种内部输运垒的形成对芯部等离子体具有屏蔽效应,同时隔绝了边界局域模造成的扰动。

  该项研究成果是等离子体所长期重视开展国际、国内合作的结晶。得到了浙江大学、美国通用原子能公司、苏州大学、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、威斯康星大学麦迪逊分校、橡树岭联合大学等国幸运28 内外合作者的共同参与和大力支持,同时也是EAST大科学工程团队团结协作的重要成果。本工作受到国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金的支持。

  论文链接

 

  该实验中的典型放电DIII-D160710炮,纵场2.05T,等离子体电流从0.6MA爬升到0.8MA。中性束功率8~10MW,注入束扭矩为3~5Nm。使用了βN反馈控制技术,控制在3.0。在低等离子体电流和高等离子体电流阶段都获得了最小安全因子大于2,在图中所示的3个阴影区域存在4个约束增强时期。

 

  通过相关性分析发现台基-内部输运垒相关性增加的同时台基-芯部的相关性降低。因此,可从该实验中得出结论:大半径内部输运垒的形成对芯部等离子体具有屏蔽效应,同时隔绝了ELM崩塌造成的扰动。这种特性打破了一直以来认为的台基高度决定芯部等离子体性能的状态。