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等离子体所在偏滤器脱靶机理及其控制方面取得系列进展

仪表研发 2019年10月31日 13:03:10 来源:合肥物质科学研究院人气:14420
  【仪表网 仪表研发】在托卡马克长脉冲高功率运行中,中心高性能等离子体排出的大量热和粒子将穿过闭合磁面,沿磁力线最终到达偏滤器靶板。靶板的极高热负荷及其引起的等离子体与壁强烈相互作用是当前磁约束聚变装置及未来聚变堆稳态运行面临的严峻挑战。等离子体脱靶可以有效降低偏滤器靶板表面的热沉积和材料腐蚀,是国际上普遍认可的未来聚变堆最有前景的偏滤器运行状态。近期,等离子体所EAST团队相关科研人员经过不断探索,在ITER-like钨偏滤器条件下实现了高约束H模脱靶运行,通过实验和模拟等手段揭示了影响H模脱靶的相关物理机制。相关研究成果分别由刘建斌助理研究员、刘晓菊副研究员相继发表在国际聚变领域权威期刊Nuclear Fusion和Physics of Plasmas上,其中刘晓菊副研究员对EAST偏滤器脱靶阈值的模拟研究成果还被PoP期刊评为编辑精选论文(Editor's Picks)。
 
快速CCD相机拍摄的EAST上H模脱靶放电照片
 
  在偏滤器脱靶状态下,伴随着增强的原子分子过程带来偏滤器区域强烈的能量损失,靶板表面可以实现较低的等离子体温度,进而缓解偏滤器表面材料的损伤和杂质的产生,但深度脱靶易使偏滤器区域粒子特别是杂质返流进入主等离子体。国际上一些其它主流托卡马克装置一直难以在长脉冲H模运行下验证稳定脱靶模式,而对于未来聚变堆,如何稳定可靠地获得这种运行模式,是亟需解决的问题。EAST团队王亮研究员等偏滤器物理、等离子体控制、运行、诊断等相关科研人员通力协作,利用EAST当前特有的长脉冲运行能力,针对高功率长脉冲稳定脱靶运行的相关物理机制开展了深入详细的实验和理论模拟研究。在2018年袁旗平项目研究员等实现辐射功率主动反馈控制的基础上,近期将偏滤器探针诊断数据作为实时反馈控制信号,在EAST上通过偏滤器区域注入微量杂质气体或提升主等离子体密度分别实现了稳定重复的H模脱靶运行及其主动控制,发展出了多种主动反馈控制H模脱靶的实验方法,在EAST上系统验证了脱靶与中心高性能等离子体的兼容性。
 
  实验中发现较高的加热功率,特别是射频波加热,提升了等离子体的电子温度,进而提高了偏滤器脱靶的阈值。通过对比不同纵场方向实验结果,揭示了边界漂移是影响偏滤器脱靶不对称性的潜在机制。结合漂移效应、优化偏滤器放电位形,并配合低温泵抽气和壁吸气能力,实现了粒子控制和杂质排除,进而利用极少量杂质注入和快速响应的方法,提高等离子体及偏滤器区域的辐射功率,在有效降低偏滤器靶板热流及温度的同时,获得了稳定H模脱靶运行。等离子体储能及约束性能始终维持在较高水平,显现出非常好的芯部和边界兼容性,为未来聚变堆稳态运行提供了一种潜在的新方案。这也是EAST首次实现H模偏滤器脱靶运行及其主动反馈控制,对偏滤器物理研究和相关控制技术的发展有重要的推动作用。
 
偏滤器脱靶密度阈值同刮削层功率(PSOL)间的依赖关系
 
  理论模拟人员利用SOLPS大型模拟程序与实验相结合,对影响EAST偏滤器脱靶阈值的可能因素开展了系统的模拟研究,进一步深入理解了影响偏滤器脱靶的物理机制。模拟发现提升偏滤器的封闭性有助于将中性粒子局域在偏滤器区域,提升偏滤器功率耗散,降低脱靶阈值。而随着进入刮削层能流(PSOL)的增强,偏滤器脱靶阈值随之升高,与
 
  存在线性关系。模拟研究还指出随着碳杂质浓度的升高,脱靶阈值明显降低,但同时也发现芯部的碳杂质浓度也会增加,可能会影响芯部等离子体的约束性能,因此对于未来需要兼容高性能稳态运行的聚变堆而言,提升偏滤器的封闭性及杂质在偏滤器区的屏蔽效率将是非常必要的。此外,杨钟时副研究员等还利用SOLPS-ITER专门针对EAST实验中使用的氖和氩杂质注入的辐射偏滤器行为开展了系统的模拟研究,并与辐射偏滤器物理实验结果进行了分析和比较,为EAST物理实验提供了重要参考。
 
  以上工作还获得了多个国内外学术会议的邀请报告。这些研究成果为EAST未来更长脉冲H模稳态运行的偏滤器等离子体与壁相互作用控制提供了重要的实验和理论信息,为中国聚变工程试验堆CFETR和国际热核实验堆ITER装置的偏滤器设计和运行提供了重要科学参考。接下来研究人员将重点开展更高功率条件下的脱靶机理和提升反馈控制的稳定性研究,在更长时间尺度、更高功率加热条件下实现和芯部兼容的偏滤器脱靶主动控制。
 
EAST偏滤器杂质注入实现的H模脱靶反馈控制
 
  以上工作得益于EAST团队的通力协作以及国内外合作,特别是与美国通用原子能公司的国际合作。相关工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、安徽省等科研项目的支持。
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