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近日，EAST团队孙有文研究员课题组利用混合环向模数的共振磁扰动场，在中美联合实验中成功实现了对边界局域模的完全抑制。证明了这种混合环向模数的共振磁扰动与单环向模数相比，能够有效降低抑制ELM所需的线圈电流，同时揭示了其中一个分量的非线性响应渗透过程对于实现ELM抑制的关键作用。相关成果由博士生顾帅以“Edge localized mode suppression and plasma response using mixed toroidal harmonic resonant magnetic perturbations in DIII-D”为题发表在核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion上。
近年来，托卡马克装置上对高约束运行模式下的ELM控制已经取得了很多重要突破，多个装置上的实验已证实通过外加RMP场在一定条件下可以实现对ELM的完全抑制或者弱化，从而有效缓解ELM给偏滤器靶板带来的脉冲式的热负荷所造成的材料腐蚀损坏等问题，为将来的磁约束聚变堆装置如ITER等提供了解决瞬态热负荷问题的可行方案。但是对RMP控制ELM的物理机制的理解仍然很欠缺，将这一控制手段向未来聚变装置外推的能力也有很大的不确定性。
课题组在DIII-D装置中美联合实验中开展了模数n=2和n=3的混合环向模数的磁扰动对ELM进行控制的实验。如图1所示，混合模数的磁扰动可以有效降低实现ELM抑制所需的电流阈值。该结果证明这种混合环向模数的RMP控制方案能够降低ELM控制系统的能源消耗与电源需求，这对于RMP抑制ELM的物理机制理解和工程经济实用性推广都有重大意义。研究同时还阐明了等离子体线性和非线性响应分别对于ELM抑制的作用，揭示了使用混合模式的RMP实现完全抑制的关键机制。如图2所示，在ELM控制效果从弱化向抑制转变时，观察到了n=3的等离子体响应的非线性跳变，而n=2的响应没有。这表明在实现ELM抑制的过程中，n=3的边界分量发生了渗透，而n=2的边界分量则有效辅助了该过程的发生。此外，如图3所示，在对等离子体响应的模拟中，对ELM弱化期间使用强屏蔽模型，能够重建ELM缓解期间的等离子响应的模结构与相位（蓝色点与线在上下图中均吻合较好）；而对于ELM抑制期间的模拟使用弱屏蔽模型，则只能重建ELM抑制期间的等离子体响应模结构，无法重建其相位（红色点与曲线在上下图中结构吻合较好，但有一定偏移）。这表明对于ELM弱化阶段，现有模型已经可以很好的完成等离子体响应的模拟；而对于ELM抑制阶段，由于RMP渗透过程的发生，需要在现有的模型中进一步引入双流体效应与非线性效应，因此这一成果也为接下来进一步的研究指明了方向。
以上工作获得等离子体所相关科研人员的鼎力支持，同时也得益于国际同行的合作，特别是美国通用原子机构合作者的共同研究，并得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、美国能源部等项目的资助。
文章链接：
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaf5a3
图 1相较于使用n=3的共振磁扰动线圈抑制ELM，使用2、3混合的模式可以有效降低其所需的电流
图 2 ELM抑制时n=3的等离子体响应的跳变，说明该分量的非线性响应渗透过程是实现ELM抑制的关键机制
图 3强屏蔽模型很好地重建了ELM缓解时的等离子体响应模结构和相位；而对ELM抑制过程，弱屏蔽模型能够重建模结构，但相位与实验结果有相位差。
