近日，EAST團隊孫有文研究員課題組利用混合環向模數的共振磁擾動場，在中美聯合實驗中成功實現了對邊界局域模的完全抑制，證明了這種混合環向模數的共振磁擾動與單環向模數相比，能夠有效降低抑制ELM所需的線圈電流，同時揭示了其中一個分量的非線性響應滲透過程對于實現ELM抑制的關鍵作用。相關成果由博士生顧帥以“Edge localized mode suppression and plasma response using mixed toroidal harmonic resonant magnetic perturbations in DIII-D”為題發表在核聚變領域頂級期刊Nuclear Fusion上。

　　近年來，托卡馬克裝置上對高約束運行模式下的ELM控制已經取得了很多重要突破，多個裝置上的實驗已證實通過外加RMP場在一定條件下可以實現對ELM的完全抑制或者弱化，從而有效緩解ELM給偏濾器靶板帶來的脈沖式的熱負荷所造成的材料腐蝕損壞等問題，為將來的磁約束聚變堆裝置如ITER等提供了解決瞬態熱負荷問題的可行方案。但是對RMP控制ELM的物理機制的理解仍然很欠缺，將這一控制手段向未來聚變裝置外推的能力也有很大的不確定性。

　　課題組在DIII-D裝置中美聯合實驗中開展了模數n=2和n=3的混合環向模數的磁擾動對ELM進行控制的實驗。如圖1所示，混合模數的磁擾動可以有效降低實現ELM抑制所需的電流閾值。該結果證明這種混合環向模數的RMP控制方案能夠降低ELM控制系統的能源消耗與電源需求，這對于RMP抑制ELM的物理機制理解和工程經濟實用性推廣都有重大意義。研究同時還闡明了等離子體線性和非線性響應分別對于ELM抑制的作用，揭示了使用混合模式的RMP實現完全抑制的關鍵機制。如圖2所示，在ELM控制效果從弱化向抑制轉變時，觀察到了n=3的等離子體響應的非線性跳變，而n=2的響應沒有。這表明在實現ELM抑制的過程中，n=3的邊界分量發生了滲透，而n=2的邊界分量則有效輔助了該過程的發生。此外，如圖3所示，在對等離子體響應的模擬中，對ELM弱化期間使用強屏蔽模型，能夠重建ELM緩解期間的等離子響應的模結構與相位（藍色點與線在上下圖中均吻合較好）；而對于ELM抑制期間的模擬使用弱屏蔽模型，則只能重建ELM抑制期間的等離子體響應模結構，無法重建其相位（紅色點與曲線在上下圖中結構吻合較好，但有一定偏移）。這表明對于ELM弱化階段，現有模型已經可以很好的完成等離子體響應的模擬；而對于ELM抑制階段，由于RMP滲透過程的發生，需要在現有的模型中進一步引入雙流體效應與非線性效應，因此這一成果也為接下來進一步的研究指明了方向。

　　以上工作獲得等離子體所相關科研人員的鼎力支持，同時也得益于國際同行的合作，并得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、美國能源部等項目的資助。

　　文章鏈接：

　　http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaf5a3 

　　圖 1相較于使用n=3的共振磁擾動線圈抑制ELM，使用2、3混合的模式可以有效降低其所需的電流

　　圖 2 ELM抑制時n=3的等離子體響應的跳變，說明該分量的非線性響應滲透過程是實現ELM抑制的關鍵機制

　　圖 3強屏蔽模型很好地重建了ELM緩解時的等離子體響應模結構和相位；而對ELM抑制過程，弱屏蔽模型能夠重建模結構，但相位與實驗結果有相位差。