長脈衝高約束放電中邊界局域模研究獲進展

近日， 中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所研究員徐國盛課題組在研究EAST裝置長脈衝高約束模式放電條件下的邊界局域模線性不穩定性方面取得進展， 相關內容由博士生王一豐等人以Stability analysis of ELMs in long-pulse discharges with ELITE code on EAST tokamak 為題發表在核聚變領域期刊Plasma Phys. Control. Fusion上[Plasma Phys. Control. Fusion: 60, 055002 (2018)]。

在2017年物理實驗中， EAST裝置成功實現了101.2s穩態長脈衝高約束模式等離子體運行， 創造了新的世界紀錄。 EAST裝置上穩態長脈衝高約束模式等離子體放電面臨的關鍵問題之一是控制邊界局域模爆發產生的瞬態熱負荷， 理解長脈衝放電條件下的邊界局域模特征有助於對其進行有效控制。

基於EAST裝置上的各種分佈測量診斷， 對典型長脈衝高約束模式等離子體做了動理學平衡計算， 並利用ELITE程式對台基區域的理想線性剝離-氣球模穩定性做了分析。 計算結果顯示， 長脈衝高約束模式等離子體放電中， 最不穩定模式為環向模數n=10~15， 最不穩定模結構局域在台基梯度區域， 與實驗測量的邊界局域模徑向影響範圍一致。 與更高等離子體電流（Ip=600kA）且伴隨第一類邊界局域模的台基比較， 長脈衝高約束模式等離子體放電（Ip=450kA）下的台基剝離-氣球模更加穩定， 通過掃描台基壓力梯度並保持碰撞率不變， 估算得到長脈衝高約束模式等離子體放電的臨界壓力梯度峰值約為前者的65%。 相比其它托卡馬克， EAST裝置的兩個重要特徵， 包括更寬的台基結構和更小的逆縱橫比， 被認為有助於EAST裝置在長脈衝高約束模式放電條件下獲得比較小的邊界局域模。 此外， 邊界分佈測量的誤差對穩定性計算結果的影響也做了分析， 包括邊界密度分佈的徑向位置誤差， 最外閉合磁面位置誤差和有效電荷數誤差。

圖1 利用ELITE計算得到的長脈衝放電#67238（紅色）和更高等離子體電流且伴隨第一類邊界局域模放電#71450（藍色）的台基剝離-氣球模穩定性結果：(a)穩定性區間， (b)各環向模數增長率。

圖2 通過掃描台基壓力梯度並保持碰撞率不變，

估算得到#67238和#71450的臨界台基壓力梯度峰值， 前者約為後者的65%。