【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】在托卡馬克長(zhǎng)脈沖高功率運(yùn)行中，中心高性能等離子體排出的大量熱和粒子將穿過(guò)閉合磁面，沿磁力線終到達(dá)偏濾器靶板。靶板的極高熱負(fù)荷及其引起的等離子體與壁強(qiáng)烈相互作用是當(dāng)前磁約束聚變裝置及未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。等離子體脫靶可以有效降低偏濾器靶板表面的熱沉積和材料腐蝕，是上普遍認(rèn)可的未來(lái)聚變堆有前景的偏濾器運(yùn)行狀態(tài)。近期，等離子體所EAST團(tuán)隊(duì)相關(guān)科研人員經(jīng)過(guò)不斷探索，在ITER-like鎢偏濾器條件下實(shí)現(xiàn)了高約束H模脫靶運(yùn)行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬等手段揭示了影響H模脫靶的相關(guān)物理機(jī)制。相關(guān)研究成果分別由劉建斌助理研究員、劉曉菊副研究員相繼發(fā)表在聚變領(lǐng)域期刊Nuclear Fusion和Physics of Plasmas上，其中劉曉菊副研究員對(duì)EAST偏濾器脫靶閾值的模擬研究成果還被PoP期刊評(píng)為編輯精選論文(Editor's Picks)。
 

快速CCD相機(jī)拍攝的EAST上H模脫靶放電照片
 

　　在偏濾器脫靶狀態(tài)下，伴隨著增強(qiáng)的原子分子過(guò)程帶來(lái)偏濾器區(qū)域強(qiáng)烈的能量損失，靶板表面可以實(shí)現(xiàn)較低的等離子體溫度，進(jìn)而緩解偏濾器表面材料的損傷和雜質(zhì)的產(chǎn)生，但深度脫靶易使偏濾器區(qū)域粒子特別是雜質(zhì)返流進(jìn)入主等離子體。上一些其它主流托卡馬克裝置一直難以在長(zhǎng)脈沖H模運(yùn)行下驗(yàn)證穩(wěn)定脫靶模式，而對(duì)于未來(lái)聚變堆，如何穩(wěn)定可靠地獲得這種運(yùn)行模式，是亟需解決的問(wèn)題。EAST團(tuán)隊(duì)王亮研究員等偏濾器物理、等離子體控制、運(yùn)行、診斷等相關(guān)科研人員通力協(xié)作，利用EAST當(dāng)前特有的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行能力，針對(duì)高功率長(zhǎng)脈沖穩(wěn)定脫靶運(yùn)行的相關(guān)物理機(jī)制開(kāi)展了深入詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論模擬研究。在2018年袁旗平項(xiàng)目研究員等實(shí)現(xiàn)輻射功率主動(dòng)反饋控制的基礎(chǔ)上，近期將偏濾器探針診斷數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)反饋控制信號(hào)，在EAST上通過(guò)偏濾器區(qū)域注入微量雜質(zhì)氣體或提升主等離子體密度分別實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定重復(fù)的H模脫靶運(yùn)行及其主動(dòng)控制，發(fā)展出了多種主動(dòng)反饋控制H模脫靶的實(shí)驗(yàn)方法，在EAST上系統(tǒng)驗(yàn)證了脫靶與中心高性能等離子體的兼容性。
 

　　實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)較高的加熱功率，特別是射頻波加熱，提升了等離子體的電子溫度，進(jìn)而提高了偏濾器脫靶的閾值。通過(guò)對(duì)比不同縱場(chǎng)方向?qū)嶒?yàn)結(jié)果，揭示了邊界漂移是影響偏濾器脫靶不對(duì)稱性的潛在機(jī)制。結(jié)合漂移效應(yīng)、優(yōu)化偏濾器放電位形，并配合低溫泵抽氣和壁吸氣能力，實(shí)現(xiàn)了粒子控制和雜質(zhì)排除，進(jìn)而利用極少量雜質(zhì)注入和快速響應(yīng)的方法，提高等離子體及偏濾器區(qū)域的輻射功率，在有效降低偏濾器靶板熱流及溫度的同時(shí)，獲得了穩(wěn)定H模脫靶運(yùn)行。等離子體儲(chǔ)能及約束性能始終維持在較高水平，顯現(xiàn)出非常好的芯部和邊界兼容性，為未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供了一種潛在的新方案。這也是EAST實(shí)現(xiàn)H模偏濾器脫靶運(yùn)行及其主動(dòng)反饋控制，對(duì)偏濾器物理研究和相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。
 

偏濾器脫靶密度閾值同刮削層功率(PSOL)間的依賴關(guān)系
 

　　理論模擬人員利用SOLPS大型模擬程序與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)影響EAST偏濾器脫靶閾值的可能因素開(kāi)展了系統(tǒng)的模擬研究，進(jìn)一步深入理解了影響偏濾器脫靶的物理機(jī)制。模擬發(fā)現(xiàn)提升偏濾器的封閉性有助于將中性粒子局域在偏濾器區(qū)域，提升偏濾器功率耗散，降低脫靶閾值。而隨著進(jìn)入刮削層能流(PSOL)的增強(qiáng)，偏濾器脫靶閾值隨之升高，與
 

　　存在線性關(guān)系。模擬研究還指出隨著碳雜質(zhì)濃度的升高，脫靶閾值明顯降低，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)芯部的碳雜質(zhì)濃度也會(huì)增加，可能會(huì)影響芯部等離子體的約束性能，因此對(duì)于未來(lái)需要兼容高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的聚變堆而言，提升偏濾器的封閉性及雜質(zhì)在偏濾器區(qū)的屏蔽效率將是非常必要的。此外，楊鐘時(shí)副研究員等還利用SOLPS-ITER專門針對(duì)EAST實(shí)驗(yàn)中使用的氖和氬雜質(zhì)注入的輻射偏濾器行為開(kāi)展了系統(tǒng)的模擬研究，并與輻射偏濾器物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，為EAST物理實(shí)驗(yàn)提供了重要參考。
 

　　以上工作還獲得了多個(gè)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議的邀請(qǐng)報(bào)告。這些研究成果為EAST未來(lái)更長(zhǎng)脈沖H模穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的偏濾器等離子體與壁相互作用控制提供了重要的實(shí)驗(yàn)和理論信息，為中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆CFETR和熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER裝置的偏濾器設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要科學(xué)參考。接下來(lái)研究人員將重點(diǎn)開(kāi)展更高功率條件下的脫靶機(jī)理和提升反饋控制的穩(wěn)定性研究，在更長(zhǎng)時(shí)間尺度、更高功率加熱條件下實(shí)現(xiàn)和芯部兼容的偏濾器脫靶主動(dòng)控制。
 

EAST偏濾器雜質(zhì)注入實(shí)現(xiàn)的H模脫靶反饋控制
 

　　以上工作得益于EAST團(tuán)隊(duì)的通力協(xié)作以及國(guó)內(nèi)外合作，特別是與美國(guó)通用原子能公司的合作。相關(guān)工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、安徽省等科研項(xiàng)目的支持。