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EAST 托卡马克高约束模下湍流行为的初步研究

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EAST 托卡马克高约束模下湍流行为的初步研究. 张涛 *,张寿彪,王嵎民,韩翔,高翔,刘子奚,凌必利和 EAST 团队 中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031 *Email: zhangt@ipp.ac.cn. 研究背景: ITER 的基本运行模式是伴随有 I 类边界局域模 (edge localized mode: ELM) 的高约束模 (H 模 ) ; L-H 转换物理机制仍不清楚,因而 ITER 上实现 L-H 转换的阈值功率还不确定; 台基 (pedestal) 参数对于获得高约束等离子体至关重要,但决定台基结构的物理机制还不清楚;

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EAST托卡马克高约束模下湍流行为的初步研究

张涛*,张寿彪,王嵎民,韩翔,高翔,刘子奚,凌必利和EAST团队

中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031

*Email: zhangt@ipp.ac.cn

  • 研究背景:
  • ITER的基本运行模式是伴随有I类边界局域模(edge localized mode: ELM)的高约束模(H模);
  • L-H转换物理机制仍不清楚,因而ITER上实现L-H转换的阈值功率还不确定;
  • 台基(pedestal)参数对于获得高约束等离子体至关重要,但决定台基结构的物理机制还不清楚;
  • L-H转换一般被认为是由于等离子体湍流被抑制的结果,而最近的理论表明湍流(如动理学气球模KBM)对于台基结构的形成亦很重要。

在EAST的2012年春季实验中,我们利用涨落反射计对L-H转换过程和ELM之间的湍流行为进行了初步研究。

3. ‘I’过程辐射信号的响应

1. EAST上的涨落反射计

  • X模极化的V波段(50-75 GHz)反射计。可固定频率也可扫频。
  • 在EAST低场侧中平面位置测量密度涨落。
  • I/Q测量。
  • 目前这套系统和密度剖面反射计共用除波源以外的微波回路。因而实验中无法同时测量密度剖面和涨落。
  • 边界辐射信号(edge XUV)在’I’过程中有对应的振荡,但是芯部辐射信号(core XUV)无此振荡。
  • LiII线辐射有振荡,而LiI线辐射无振荡。
  • 这种振荡应该是发生在等离子体边界。

Fig.1 V波段(50-75GHz)涨落反射计示意图

2. L-H转换过程中的湍流行为

4. ELM之间湍流特征的初步研究

  • EAST上目前主要使用低杂波和离子回旋波加热实现H模等离子体。
  • 40846这炮(Fig.2)L-H转换发生在 约2.73s。此时,Da线突然下降、密度和内能开始上升。ELM约在2.99s出现。
  • 在L-H转换之前以及L-H转换的时刻,Da线上存在振荡。这种振荡区别于传统的L模和H模,这里称之为中间过程(‘I’),已经在Fig.2中使用阴影矩形标示。
  • 图中所示时间内,电流、低杂波和离子回旋波的功率都已经稳定。

Fig.2 EAST上典型的H模放电

  • III类ELM:ELM频率约为200Hz。存在高频前兆振荡,从~150kHz逐渐下降,直至ELM出现,其涨落幅度逐渐上升或饱和。这种前兆在磁探针信号无显示。
  • 混合ELM:200Hz的ELM和约70Hz的混合型。200HzELM之前存在类似的高频前兆振荡,而磁信号上显示70Hz ELM之间存在环向模数为n=1、2和3,频率分别为20、40和60kHz的谐频振荡。这种谐频振荡在反射计(测量台基区)信号上也能被观察到。推测谐频振荡能够引起粒子或能量输运,导致台基累积变慢,因而延长了ELM的周期。

5.总结和展望

Fig.3 (a)Da线L-I-L(b)60GHz反射计测量信号的涨落频谱以及(c)密度涨落幅度

Fig.4 L-I-H过程中湍流的演化

  • 利用涨落反射计初步研究了EAST上L-H转换过程和ELM之间的湍流行为。‘L-I-L’和 ‘L-I-H’中‘I’过程的区别有待进一步研究。需要确定ELM之间台基湍流的演化是否与台基参数(台基密度、温度和压强及其梯度)演化存在关联。
  • 下一轮EAST实验(2013年秋),将会升级现有的反射计到8道定频极向相关反射计,能够同时测量8个位置的密度涨落和旋转。同时径向相关反射计也在计划中。另外,X模的Q、V和W波段的剖面反射计能够使得同时测量台基区的涨落和密度剖面。这将会为深入研究L-H转换和台基物理提供必要的实验手段。
  • 在‘I’过程中,Da线振荡,涨落频谱和密度涨落幅度也相应地产生振荡:当Da线幅度下降时,反射计信号涨落频谱的高频分量被抑制,能量集中于零频,意味着密度涨落幅度降低;而当Da线的幅度和L模时差不多时,频谱和涨落幅度都恢复到L模时的水平。这个和ASDEX-U(Conway 2011PRL)上的实验结果相似。
  • ‘L-I-L’和‘L-I-H’中的 ‘I’过程区别有待进一步研究。