【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)研究員孫有文帶領(lǐng)的三維物理課題組，關(guān)于ITER相關(guān)運(yùn)行參數(shù)下的共振磁擾動(dòng)(RMP)抑制邊界局域模(ELM)的研究取得關(guān)鍵進(jìn)展。課題組與ITER科學(xué)部負(fù)責(zé)人Alberto Loarte合作，在ELM抑制與偏濾器熱負(fù)荷集成控制方面取得了新的進(jìn)展。
 

　　邊界局域模及偏濾器熱負(fù)荷的有效控制是當(dāng)前磁約束聚變研究的重要課題，也是ITER亟待解決的重要科學(xué)問題之一。邊界局域模爆發(fā)瞬間大量的熱流和粒子流沉積在偏濾器靶板上，導(dǎo)致靶板材料的嚴(yán)重腐蝕。通過外加RMP來抑制ELM的方法已在美國DIII-D、我國EAST、韓國KSTAR及德國ASDEX-Upgrade等裝置上得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并被ITER采納。然而，在ITER高增益參數(shù)下，使用高環(huán)向模數(shù)n=4的RMP抑制ELM的可靠性尚未裝置在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證；此外，RMP引起托卡馬克中三維磁拓?fù)涓淖?，在維持ELM抑制的同時(shí)能否結(jié)合如脫靶和輻射偏濾器等手段進(jìn)行靶板熱負(fù)荷的集成控制，也缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。
 

　　EAST裝置具有類似ITER的低動(dòng)量注入、低q95以及鎢偏濾器的放電優(yōu)勢(shì)，共振磁擾動(dòng)線圈系統(tǒng)能夠形成n=1-4的共振磁擾動(dòng)?；诙嗄晗嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累，課題組在國際上率先為ITER演示了n=4的RMP能夠有效抑制ELM，明確了實(shí)現(xiàn)抑制的密度區(qū)間和q95窗口，并結(jié)合磁流體模擬程序MARS-F揭示該窗口由三維磁拓?fù)溥吔珉S機(jī)化峰值決定。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nuclear Fusion(Y. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 106037)上。
 

　　課題組剖析了等離子體旋轉(zhuǎn)對(duì)三維場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)，從等離子體響應(yīng)角度加深了對(duì)ELM抑制的物理機(jī)理理解。研究利用MARS-F程序模擬發(fā)現(xiàn)，在E×B旋轉(zhuǎn)或電子垂直旋轉(zhuǎn)零點(diǎn)在電阻奇異層內(nèi)時(shí)，等離子體產(chǎn)生類剝離模響應(yīng)；而當(dāng)零點(diǎn)在奇異層外時(shí)，產(chǎn)生類扭曲模響應(yīng)。EAST裝置放電等離子體有理面上的旋轉(zhuǎn)范圍在±10krad/s內(nèi)時(shí)有利于產(chǎn)生較強(qiáng)的等離子體響應(yīng)。模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁擾動(dòng)在臺(tái)基區(qū)頂部旋轉(zhuǎn)接近零即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)基區(qū)頂部的擾動(dòng)場(chǎng)滲透。相關(guān)研究成果發(fā)表在Physics of Plasmas(P. Xie et al 2021 Phys. Plasmas 28 092511)上。
 

　　在上述ELM抑制的參數(shù)背景下，課題組與Alberto Loarte合作，進(jìn)一步開展了高再循環(huán)以及雜質(zhì)注入等偏濾器熱負(fù)荷集成控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在充氣或彈丸注入形成的高再循環(huán)，以及在雜質(zhì)注入形成的輻射偏濾器條件下，RMP能夠維持ELM抑制并有效降低偏濾器靶板穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷，有望參與偏濾器熱負(fù)荷的集成控制。此外，結(jié)合等離子體響應(yīng)模擬與三維磁拓?fù)淠M的結(jié)果表明，n=4條件下連接偏濾器遠(yuǎn)端打擊點(diǎn)分裂的磁力線的連接深度更淺，更有利于偏濾器靶板穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷的降低。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nuclear Fusion(M. Jia et al 2021 Nucl. Fusion 61 106023)上。
 

　　上述研究工作得益于EAST大科學(xué)裝置團(tuán)隊(duì)成員間的團(tuán)結(jié)協(xié)作，也是等離子體所與國際同行長期、廣泛開展合作交流的成果，包括ITER組織、美國通用原子能公司和德國于利希研究中心等。該研究加深了對(duì)ELM控制物理機(jī)理的理解，對(duì)于將來ITER高增益放電參數(shù)下應(yīng)用高環(huán)向模數(shù)RMP進(jìn)行ELM抑制以及偏濾器熱負(fù)荷控制具有重要的參考價(jià)值。研究工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)等的資助。