近日,等離子體所徐國(guó)盛研究員課題組在研究臺(tái)基等離子體中E×B流剪切驅(qū)動(dòng)靜態(tài)高約束模式(QH模)放電中邊界諧頻振蕩(EHO)的低環(huán)向模數(shù)扭曲模的線(xiàn)性不穩(wěn)定性方面取得重要進(jìn)展,相關(guān)內(nèi)容以“E×B flow shear drive of the linear low-n modes of EHO in the QH-mode regime”為題發(fā)表于核聚變領(lǐng)域頂級(jí)期刊Nuclear Fusion雜志上[Nuclear Fusion, 57 (2017) 086047 (17pp)]。
托卡馬克高約束模式等離子體通常伴隨有周期性的邊界局域模(ELM)爆發(fā)現(xiàn)象,產(chǎn)生的瞬態(tài)熱負(fù)荷會(huì)對(duì)裝置偏濾器等結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p傷,抑制或減緩大ELM爆發(fā)是下一代聚變裝置面臨的重大挑戰(zhàn)。QH模與未來(lái)聚變堆的臺(tái)基低碰撞率參數(shù)條件相兼容,伴隨EHO現(xiàn)象能不斷向外排出粒子,避免雜質(zhì)的積累和邊界局域模的爆發(fā),是一種十分理想的有希望應(yīng)用在未來(lái)聚變堆上的高約束邊界運(yùn)行模式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著E×B剪切流減小,伴隨窄譜EHO的QH模轉(zhuǎn)換為一種新的伴隨低環(huán)向模數(shù)的寬譜電磁湍流的QH模,同時(shí)臺(tái)基等離子參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,為未來(lái)聚變等離子體在低扭矩條件下進(jìn)入QH模帶來(lái)希望,但其中具體的物理機(jī)制并不清楚。課題組結(jié)合DIII-D裝置上典型QH模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立物理模型分析了E×B流剪切對(duì)低環(huán)向模數(shù)的扭曲模線(xiàn)性穩(wěn)定性的影響,進(jìn)一步揭示了QH模放電中EHO和寬譜電磁湍流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,有助于實(shí)現(xiàn)CFETR和ITER等未來(lái)聚變堆在臺(tái)基低碰撞率和低扭矩條件下進(jìn)入QH模,從而避免大ELM爆發(fā)造成的瞬態(tài)熱負(fù)荷等問(wèn)題。
以往利用ELITE和MINERVA程序?qū)ε_(tái)基穩(wěn)定性分析的結(jié)果顯示環(huán)向旋轉(zhuǎn)剪切對(duì)低環(huán)向模數(shù)的穩(wěn)定性影響較小,不足以解釋實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的隨著E×B剪切流減小,EHO變化的現(xiàn)象。近期利用M3D-C1程序?qū)︻?lèi)似EHO的低環(huán)向模數(shù)模式的線(xiàn)性本征模分析顯示這種模式可以由旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)剪切解穩(wěn),并且與旋轉(zhuǎn)的方向無(wú)關(guān),這與觀測(cè)到的EHO實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。但是其中具體的解穩(wěn)機(jī)制并不清楚。利用BOUT++程序的模擬結(jié)果表明,E×B流剪切可通過(guò)Kelvin–Helmholtz驅(qū)動(dòng)解穩(wěn)撕裂-氣球模,但是有分析表明Kelvin–Helmholtz驅(qū)動(dòng)在邊界強(qiáng)磁剪切條件下是穩(wěn)定的。課題組通過(guò)建立物理模型并計(jì)算分析得到的結(jié)果顯示,不同于Kelvin–Helmholtz驅(qū)動(dòng),E×B剪切流通過(guò)改變廣義渦量漲落量的徑向分布,引起靜電勢(shì)模結(jié)構(gòu)的徑向展寬,使有理面附近磁力線(xiàn)進(jìn)一步彎曲并使慣性致穩(wěn)項(xiàng)減小,驅(qū)動(dòng)扭曲模不穩(wěn)定性。隨著流剪切率的增加,模的增長(zhǎng)率增加,寬譜模轉(zhuǎn)換為低環(huán)向模數(shù)的窄譜模且與流剪切的方向無(wú)關(guān),與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。
文章鏈接:https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa7975