长脉冲运行下钨熔化行为及其对等离子体放电影响研究

Tungsten melting directly influencing the lifetime of plasma facing material and component and safety of plasma operation, is an ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) very concerned critical issue. This application proposes that performing controlled and induced tungsten melting experiment on the full superconducting Tokamak EAST which has similar structure and function with ITER, to simulate the behavior of tungsten melting and its evolution under long pulse operation, analyzing the generation and migration of tungsten impurities base on the deep investigation on melting layer transfer, droplet emission, material damage and surface structural change, as well as changes in operating parameters, and illustrating the influence mechanism of tungsten melting on long-pulse plasma discharge combining tungsten impurity transport simulation by the Edge Monte Carlo program (EMC3), finally predicting tungsten melting behavior in ITER and accessing its influence on plasma operation. This study will provide significant scientific basis and data accumulation for EAST and ITER not only the ongoing W based plasma facing component surface optimization but also the long pulse & high parameter operation and control under full metal wall condition.

钨熔化直接影响到面对等离子体材料与部件使用寿命以及等离子体运行安全，是未来国际热核聚变实验装置ITER非常关心的热点问题之一。本申请提出在与ITER结构和功能基本相似的全超导托卡马克EAST装置上开展钨的可控诱导熔化实验，模拟长脉冲运行下钨熔化行为及其随时间的演化过程，通过对熔化层迁移、液滴发射、材料损伤与表面结构改变、以及等离子体运行参数变化等的深入研究，分析钨杂质的产生与迁移规律，结合边界蒙特卡罗程序EMC3钨杂质输运模拟，阐明钨熔化对等离子体长脉冲放电的影响机理，并在此基础上预测ITER装置中钨熔化行为并评估其对等离子体运行的影响。本项研究不仅可为EAST及ITER正在开展的钨基面对等离子体材料与部件表面结构优化，而且可为装置全金属壁环境下长脉冲高参数物理实验运行及控制提供重要的科学依据和数据积累。

钨熔化直接影响到面对等离子体材料与部件使用寿命以及等离子体运行安全，是未来国际热核聚变实验装置ITER非常关心的热点问题之一，阐明钨熔化的各种触发条件，并评估钨熔化对钨壁表面结构和装置运行的影响是当前研究的主要目标。本课题依托与ITER结构和功能基本相似，且具有钨偏滤器和钼第一壁的全超导托卡马克EAST装置上开展，采用ANSYS热模拟分析了EAST钨偏滤器瓦块结构在错位（leading edge）条件下的熔化条件和结构优化，以及未来ITER长脉冲H模运行下稳态热负荷和ELM瞬态热流协同作用下的熔化参数，并在EAST上成功观测到钨偏滤器内靶板瓦块错位诱导边缘熔化以及第一壁钼瓦上的熔化现象，事后材料分析显示，熔化造成了壁材料表面层微结构晶粒的再结晶，并未造成熔化层的大范围迁移和缝隙搭桥现象；物理运行分析表明熔化对后续放电产生了一定的影响，破裂放电比例上升，但在合适的壁处理后，放电能基本恢复。本项研究为EAST及ITER正在开展的钨面对等离子体材料与部件表面结构优化，和金属壁环境下长脉冲高参数运行提供了重要的科学依据和数据积累。