合肥研究院在偏濾器脫靶機理及其控制方面取得系列進展

科研信息網 劉洋 2019-11-02 10:56:40
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  在托卡馬克長脈沖高功率運行中,中心高性能等離子體排出的大量熱和粒子將穿過閉合磁面,沿磁力線最終到達偏濾器靶板。靶板的極高熱負荷及其引起的等離子體與壁強烈相互作用是當前磁約束聚變裝置及未來聚變堆穩態運行面臨的嚴峻挑戰。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,是國際上普遍認可的未來聚變堆最有前景的偏濾器運行狀態。近期,中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所EAST團隊相關科研人員經過不斷探索,在ITER-like鎢偏濾器條件下實現了高約束H模脫靶運行,通過實驗和模擬等手段揭示了影響H模脫靶的相關物理機制。相關研究成果分別由助理研究員劉建斌、副研究員劉曉菊相繼發表在國際聚變領域期刊Nuclear FusionPhysics of Plasmas上,其中劉曉菊對EAST偏濾器脫靶閾值的模擬研究成果還被PoP期刊評為編輯精選論文(Editor's Picks)。

  在偏濾器脫靶狀態下,伴隨著增強的原子分子過程帶來偏濾器區域強烈的能量損失,靶板表面可以實現較低的等離子體溫度,進而緩解偏濾器表面材料的損傷和雜質的產生,但深度脫靶易使偏濾器區域粒子特別是雜質返流進入主等離子體。國際上一些其它主流托卡馬克裝置一直難以在長脈沖H模運行下驗證穩定脫靶模式,而對于未來聚變堆,如何穩定可靠地獲得這種運行模式,是亟需解決的問題。EAST團隊研究員王亮等偏濾器物理、等離子體控制、運行、診斷等相關科研人員通力協作,利用EAST當前特有的長脈沖運行能力,針對高功率長脈沖穩定脫靶運行的相關物理機制開展了深入詳細的實驗和理論模擬研究。在2018年項目研究員袁旗平等實現輻射功率主動反饋控制的基礎上,近期將偏濾器探針診斷數據作為實時反饋控制信號,在EAST上通過偏濾器區域注入微量雜質氣體或提升主等離子體密度分別實現了穩定重復的H模脫靶運行及其主動控制,發展出了多種主動反饋控制H模脫靶的實驗方法,在EAST上系統驗證了脫靶與中心高性能等離子體的兼容性。

  實驗中發現較高的加熱功率,特別是射頻波加熱,提升了等離子體的電子溫度,進而提高了偏濾器脫靶的閾值。通過對比不同縱場方向實驗結果,揭示了邊界漂移是影響偏濾器脫靶不對稱性的潛在機制。結合漂移效應、優化偏濾器放電位形,并配合低溫泵抽氣和壁吸氣能力,實現了粒子控制和雜質排除,進而利用極少量雜質注入和快速響應的方法,提高等離子體及偏濾器區域的輻射功率,在有效降低偏濾器靶板熱流及溫度的同時,獲得了穩定H模脫靶運行。等離子體儲能及約束性能始終維持在較高水平,顯現出非常好的芯部和邊界兼容性,為未來聚變堆穩態運行提供了一種潛在的新方案。這也是EAST首次實現H模偏濾器脫靶運行及其主動反饋控制,對偏濾器物理研究和相關控制技術的發展有重要的推動作用。

  理論模擬人員利用SOLPS大型模擬程序與實驗相結合,對影響EAST偏濾器脫靶閾值的可能因素開展了系統的模擬研究,進一步深入理解了影響偏濾器脫靶的物理機制。模擬發現提升偏濾器的封閉性有助于將中性粒子局域在偏濾器區域,提升偏濾器功率耗散,降低脫靶閾值。而隨著進入刮削層能流(PSOL)的增強,偏濾器脫靶閾值隨之升高,與PSOL5/7存在線性關系。模擬研究還指出隨著碳雜質濃度的升高,脫靶閾值明顯降低,但同時也發現芯部的碳雜質濃度也會增加,可能會影響芯部等離子體的約束性能,因此對于未來需要兼容高性能穩態運行的聚變堆而言,提升偏濾器的封閉性及雜質在偏濾器區的屏蔽效率將是非常必要的。此外,副研究員楊鐘時等還利用SOLPS-ITER專門針對EAST實驗中使用的氖和氬雜質注入的輻射偏濾器行為開展了系統的模擬研究,并與輻射偏濾器物理實驗結果進行了分析和比較,為EAST物理實驗提供了重要參考。

  以上工作還獲得多個國內外學術會議的邀請報告。這些研究成果為EAST未來更長脈沖H模穩態運行的偏濾器等離子體與壁相互作用控制提供了重要的實驗和理論信息,為中國聚變工程試驗堆CFETR和國際熱核實驗堆ITER裝置的偏濾器設計和運行提供了重要科學參考。接下來研究人員將重點開展更高功率條件下的脫靶機理和提升反饋控制的穩定性研究,在更長時間尺度、更高功率加熱條件下實現和芯部兼容的偏濾器脫靶主動控制。

  以上工作得益于EAST團隊的通力協作以及國內外合作,特別是與美國通用原子能公司的國際合作。相關工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院、安徽省等的科研項目的支持。

圖1. 快速CCD相機拍攝的EAST上H模脫靶放電照片

圖2. 偏濾器脫靶密度閾值同