中文摘要：

高约束模边界不稳定性是聚变等离子体物理研究的前沿课题，也是ITER物理实验的重要内容之一。本课题将结合国内托卡马克装置的H模物理实验，研究边界不稳定性的触发条件、产生机制、非线性发展的物理过程、缓解和抑制手段，例如测量和研究ELM驱动的能量流和粒子流在偏滤器靶板上沉积的空间分布和时间演变、 ELM在刮离层内产生的丝状等离子体输运现象等；通过弹丸注入和超声气体分子束注入研究I型ELM的缓解技术，减少Ⅰ型ELM的能量损失，研究边界安全因子、等离子体旋转和形状等因素对I型ELM的抑制作用，探索从I型ELM转换成Ⅱ型、"草丛"型等小ELM的H模放电的途径；研究缓解、抑制I型ELM或使其转换成小ELM的机理。开展无ELM的准稳态QH模和小ELM放电研究。这些研究的成果对于下一代聚变装置例如ITER和示范堆的高性能等离子体放电都具有很重要的参考价值。

结论摘要：

高约束模边界不稳定性是聚变等离子体物理研究的前沿课题，也是 ITER 物理实验的重要内容之一。本课题首先对HL-2A上已有的部分诊断和加料系统进行升级改进，包括提升快速扫描X模反射计，三个波段可以覆盖整个等离子体的弱场侧；提升普勒反射计可以工作在零差和外差方式，探测模式可以是定频和跳频模式；新建扫频ECE，可以测量强场和弱场侧的电子温度分布；优化SMBI关键部件——拉瓦尔喷嘴阀门，建成一个新SMBI系统；新建并优化HL-2A弹丸注入器。与此同时，本课题根据国际上对 ITER 高约束H模参考运行方案的前沿研究动态，结合HL-2A装置上已有的研究基础和能力，开展H模边界不稳定性的物理和实验研究。主要结果包括在HL-2A分别实现了具有第三类ELM和类第一型ELM两种高约束模式，并在后者中观察到台基区出现MHD先兆振荡；开展了无ELM-H模和小ELM-H模放电参数的优化；开展了SMBI和CJI对ELM的缓解实验研究，两种缓解均观测到台基区等离子体密度梯度变缓，即意味着台基区的粒子约束性能有所降低，这可能阻止了大ELM的形成，从而使得大量幅度较小的扰动，实现对ELM的缓解；开展了在ELM-H模或无ELM-H模放电弹丸注入触发/诱发ELM的实验,同时也观测到弹丸注入的ELM缓解现象；对于伴随ELM而产生的丝状结构，在SMBI/PI导致ELM缓解后，丝的密度振幅、径向速度、环向相关长度均大幅降低，从而使导致其产生的瞬态粒子和热输运也被抑制；首次在台基区观测到在L-H转换过程中存在的两种不同的极限环振荡（分别命名为Y-型和J-型），给出了湍流、带状流和平衡流在等离子体输运和约束及边界输运垒（H模）形成中所起作用的直观图像，对L-H转换的物理机制有了更进一步认识；采用基于Weiland流体模型的输运程序TorCode数值模拟研究并再现了L-H模转化的动力学特征，以及输运垒的形成过程，发现了在L-H模转化过程中等离子体边缘处存在很强的极向流剪切，它对边缘输运垒的形成起到了至关重要的作用；同时也观测到电子和离子温度输运垒的坍塌和恢复的过程，类似于极限环振荡过程；研究了湍流、低频带状流和测地声模之间的非线性能量传输，并发现测地声模和带状流在从湍流获得能量的过程中存在竞争关系，且随着加热功率的增大，带状流逐渐占据优势，表明带状流在L-H转换过程中起重要作用。