EAST托卡马克实验中的L模和H模电子尺度湍流的特征

耿靖森,李亚东

(1.安徽大学 物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601;2.中国科学院合肥物质科学研究院 等离子体物理研究所,安徽 合肥 230031)

等离子体约束的改善对磁约束热核聚变具有重要意义.使等离子体约束变差的反常输运由粒子的密度、温度以及磁场空间不均匀激发的湍流驱动[1-7].H模(H-mode)的出现通常伴随湍流抑制和等离子体输运改善[8-10],湍流对H模输运特性有显著影响.离子温度梯度模(ion temperature gradient modes,简称ITG)湍流、捕获电子模(trapped electron modes,简称TEM)湍流和电子温度梯度模(electron temperature gradient modes,简称ETG)湍流是托卡马克中几种常见湍流.反常粒子输运由ITG湍流和TEM湍流驱动,反常热输运与ITG湍流、TEM湍流和ETG湍流相关[11].ASDEX(axially symmetric divertor experiment)托卡马克的实验结果证实ITG湍流可驱动反常离子热输运[12].电子热输运可由TEM,ITG,ETG湍流驱动,三者对电子热输运的贡献由等离子体条件决定[11].湍流的变化与粒子输运和热输运密切相关,且影响H模的输运特性.在DIII-D托卡马克[13-14]和JET(joint European torus)托卡马克[15-16]实验中观测到H模放电过程中粒子输运和热输运同时改善的现象.在MAST(mega ampere spherical Tokamak)托卡马克实验中观察到粒子输运改善而热输运变化不大的H模[17].在DIII-D托卡马克实验中观测到H模放电过程中ITG湍流显著下降的现象[18].NSTX(national spherical torus experiment)托卡马克实验中观察到ETG湍流被抑制的H模放电现象[19].该文研究EAST(experimental advanced superconducting Tokamak)托卡马克实验中的L模(L-mode)和H模电子尺度湍流的特征.

1 实验设置和实验条件

EAST是一种非圆截面全超导托卡马克,其主要参数为:大半径R≈1.85 m,小半径a≈0.45 m,等离子体电流Ip<1 MA,环向磁场BT<3 T,延伸率κ∈[1.2,2.0],长宽比ε≈0.24.EAST配备了各种辅助加热手段,包括低杂波(LHW)、中性束注入(NBI)、电子回旋共振加热(ECRH)和离子回旋共振加热(ICRH).

EAST中的极向CO2激光集体汤姆逊散射诊断系统是基于集体散射原理设计的[20],可以同时测量芯区(ρ∈[0,0.4],ρ表示归一化半径)和梯度区(ρ∈[0.4,0.8])的多个电子尺度湍流(kθρs∈[1.0,5.0],kθ是湍流的极向波数,ρs是用电子温度表征的离子回旋半径)[21-22].极向CO2激光集体散射诊断系统如图1所示.

图1 EAST中的极向CO2激光集体汤姆逊散射诊断系统

CO2激光分成1道探测光束和4道本振光束(LO),探测光束和本振光束具有相同的波矢/频率.探测光束从上到下穿过等离子体.在蓝色区域(梯度区),LO1和LO2分别以角度θ1和θ2与探测光束相交,这3道光束共面于与磁轴呈85°的β平面.在红色区域(芯区),LO3和LO4分别以角度θ3和θ4与探测光束相交,这3道光束共面于与磁轴垂直的α平面.探测光束垂直穿过磁轴,4道LO通过与探测光束相交,据此获得各自特定区域及特定波数的湍流信息.一般情况下,该系统可稳定运行24 h.

托卡马克中的大部分漂移波湍流近似垂直磁力线.漂移波湍流(ω,k) (ω表示漂移波湍流的频率,k表示漂移波湍流的波矢量)、主光束(ω0,k0)和散射光束(ωs,ks)之间满足波耦合条件:k=ks±k0,ω=ωs±ω0.值得注意的是,该诊断系统测量的湍流波数(其范围为(10 cm-1,30 cm-1))远小于探测光束的波数(|k0|≈5 927 cm-1),可见满足布拉格关系: |k|=2|k0|sin(θs/2)(θs为散射角,其通常小于0.3°,通过改变散射角θs可实现不同波数湍流的测量).托卡马克中的磁力线是弯曲的,极向上不同位置处的湍流波矢方向不同.通过调整探测光与本振光构成的散射平面与磁轴纵切面的角度,能实现对不同区域湍流信息的监测.为了实现不同区域同一波数湍流的同步测量,探测光束与本振光间的角度需满足以下条件:θ1=θ3,θ2=θ4.诊断系统的波数分辨率约为2 cm-1,采样率为4 MHz.

图2为EAST托卡马克实验中第75286号炮放电的相关参数与时间的关系曲线.由图 2(a)可知,在第3秒至第4秒时间内等离子体电流基本不变.由图 2(b)可知,等离子体环电压在3.30 s及3.50 s发生了突变.由图 2(c)可知, 频率为2.45,4.60 GHz 的LHW均以基本稳定的功率加热.由图 2(d)可知,中性束在3.30 s注入,后以55 kV的电压持续注入.由图 2(e)可知,Dα信号幅度在3.50 s突然下降,等离子体此时由L模进入H模.由图 2(f)可知, 在3.50 s进入H模后,存储能量出现明显增加.由图2(g)可知,等离子体由L模进入H模后,等离子体密度逐渐增加.由图2(h)可知,在3.50 s进入H模后,电子温度逐渐下降.

2 L模和H模电子尺度湍流的特征

该文对L模和H模电子尺度湍流的特征进行了研究.图 3为由电子回旋发射诊断系统测量的第75286号炮放电中的L模和H模的电子温度分布和偏振干涉仪诊断系统测量的等离子体密度分布.由图3(a)可知, 与L模相比,H模电子温度明显降低,该图的温度变化情况与图2(h)的情况一致.由图3(b)可知, H模的等离子体密度比L模的等离子体密度大,且形成了边界密度输运势垒.根据等离子体密度的增加和密度输运势垒的形成,可判定H模粒子输运得到改善[23-24].结合电子温度和等离子体密度的变化情况,可知H模的粒子输运得到很大改善而热输运改善不大.

对第75286号炮放电实验,kθ=12 cm-1的湍流空间尺度kθρs∈[1.2,1.7],kθ=22 cm-1的湍流空间尺度kθρs∈[2.1,3.2].图4为梯度区和芯区湍流强度与时间的关系曲线.由图4(a)可知,进入H模后,梯度区kθ=12 cm-1和kθ=22 cm-1的湍流强度均出现明显降低,这与其他托卡马克装置观测的进入H模后湍流强度降低的结果一致;在H模的后续演化中,kθ=12 cm-1和kθ=22 cm-1的湍流强度均随时间增加而增加.由图4(b)可知,进入H模后,芯区kθ=12 cm-1和kθ=22 cm-1的湍流强度均出现了明显下降;在H模的后续演化中,芯区kθ=12 cm-1和kθ=22 cm-1的湍流强度基本不变.结合梯度区与芯区湍流强度的变化情况,发现进入H模后梯度区湍流强度的下降比芯区湍流强度的下降更明显,不同空间区域的湍流强度变化存在差异.

图4 梯度区(a)及芯区(b)的湍流强度与时间的关系曲线

湍流功率谱可反应湍流光谱的变化.图5为75286炮放电中的L模和H模湍流的功率谱.由图5(a)可知,进入H模后,梯度区(ρ∈[0.4,0.8])kθ=12 cm-1湍流低频部分(50～300 kHz)的功率谱出现减弱.在芯区(ρ∈[0,0.4])kθ=12 cm-1的湍流功率谱中也观察到了类似现象,如图 5(c)所示.由图5(b)可知,进入H模后,梯度区(ρ∈[0.4,0.8])kθ=22 cm-1湍流高频部分(900～2 000 kHz)的功率谱明显增强.芯区(ρ∈[0,0.4])kθ=22 cm-1的湍流功率谱中也观察到了类似现象,如图5(d)所示.由L模进入H模后,kθ=12 cm-1的湍流功率谱在芯区与梯度区的变化相同,kθ=22 cm-1的湍流功率谱在芯区与梯度区的变化也相同.芯区kθ=12 cm-1与kθ=22 cm-1的湍流功率变化不同,梯度区kθ=12 cm-1与kθ=22 cm-1的湍流功率变化也不同.kθ=12 cm-1的湍流空间尺度kθρs∈[1.2,1.7],对应TEM湍流;kθ=22 cm-1的湍流空间尺度kθρs∈[2.1,3.2],对应ETG湍流.进入H模后,kθ=12 cm-1的湍流与kθ=22 cm-1的湍流功率谱变化的差异可能是TEM和ETG湍流特征频率差异导致的.第75286号炮放电中的H模粒子输运和热输运的差异可能是TEM和ETG波数范围湍流的光谱差异导致的.

(a)kθ=12 cm-1,ρ∈[0.4,0.8];(b)kθ=22 cm-1,ρ∈[0.4,0.8];(c)kθ=12 cm-1,ρ∈[0,0.4];(d)kθ=22 cm-1,ρ∈[0,0.4].图5 第75286号炮放电中的L模和H模湍流的功率谱

3 结束语

利用极向CO2激光集体汤姆逊散射诊断系统,在EAST托卡马克放电实验中,研究了L模和H模电子尺度湍流的特征.结果表明:H模的粒子输运得到很大改善而热输运改善不大;由L模进入H模后,梯度区湍流强度的下降比芯区湍流强度的下降更明显,不同空间区域的湍流强度变化存在差异; 第75286号炮放电中的H模粒子输运和热输运的差异可能是TEM和ETG波数范围湍流的光谱差异导致的.