托卡马克钨杂质极紫外波段光谱诊断的关键技术问题

Tungsten will be the plasma facing materials (PFMs) in ITER divertor, and is the top candidate for the PFMs in future fusion reactor. During 2014 EAST campaign, with tungsten upper divertor, tungsten accumulation and radiation cooling became a big issue. Therefore, the requirement for spectroscopy diagnostic of tungsten content is very urgent. In this project, we plan to measure the tungsten spectra in the extreme ultraviolet (EUV) wavelength range of 10-130Å which could cover the unresolved transition arrays (UTA) and isolated lines from W14+ to W45+. The tungsten spectra measurement from different fixed ionized tungsten on Shanghai EBITs could be used to identify the spectrum lines in spectra measured in EAST. The absolute intensity measurement of several lines from W44+ and W45+ could be used in impurity transport code to calculate the impurity content in plasma center. It shows that there are several key technique problems to be solved in this diagnostic, e.g. the identification of the UTA spectra, the absolute intensity measurement of certain tungsten emission lines, and the achievement of accurate ionization and recombination rate coefficient in tungsten transport simulation. The measurement and identification of tungsten spectra, the improvement of the spectroscopy diagnostic technique and the study of tungsten behavior in EAST tokomak are very meaningful for ITER operated with tungsten divertor and design of first wall in future fusion reactor.

钨将作为等离子体面对材料用于ITER偏滤器，同时它也是今后聚变反应堆第一壁的首选材料。2014年EAST托卡马克运行在上钨偏滤器条件下，已经遇到钨杂质聚芯以及辐射冷却等一系列严峻的问题，于是对钨杂质浓度定量诊断的需求非常迫切。本项目拟通过极紫外（EUV）波段10-130Å范围（包括W14+-W45+发射谱线）高分辨率钨光谱测量，借助于复旦大学上海EBITs实验平台进行谱线识别，利用W44+和W45+发出的线光谱的绝对强度测量，结合杂质输运程序的电离平衡计算，对等离子体中心杂质浓度进行定量诊断。其中关键的科学技术问题在于：（1）钨未分解跃迁系（UTA）的解谱；（2）谱线强度的绝对测量；（3）杂质输运程序中准确的率系数的获得。EAST上钨光谱的观测和识别、钨杂质光谱诊断技术的发展及钨杂质行为的实验研究对ITER在钨偏滤器条件下的运行以及今后聚变反应堆钨第一壁的设计具有重要的参考价值。

钨由于其高溅射阈值、低溅射率及低放射性氚滞留率等优异特性将被应用到ITER装置并成为今后聚变反应堆第一壁的首选材料。EAST上偏滤器、低杂波天线保护限制器分别于2014和2018年升级成钨材料。在高参数运行中某些特定条件下常观察到钨杂质聚芯导致H-L转换甚至破裂，因此在EAST开展钨杂质定量诊断以及钨杂质行为研究对实现EAST稳态长脉冲运行至关重要。本项目的主要研究内容包括：a.短波段快速极紫外光谱仪系统的研制；b.极紫外长波段空间分辨光谱仪系统的研制；c.15-420 Å范围高谱分辨钨光谱的观测和识别；d.钨光谱定量分析技术的发展；e.壁处理方式对钨杂质源和芯部钨杂质含量的抑制；f.钨内部部件损伤引入的钨杂质行为及其对等离子体性能的影响；g.芯部钨杂质行为研究；h.典型射频波加热下高Z杂质分布研究。重要结果和关键数据包括：在本项目的支持下，我们在EAST上研制了两台高性能极紫外光谱仪系统，包括快速短波段极紫外谱仪（10-130Å，5ms/frame）以及空间分辨极紫外谱仪（30-520Å，0.08cm），结合之前研制的快速长波段极紫外谱仪（20-500Å，5ms/frame），三套谱仪用于观测极紫外波段的钨光谱及钨离子分布。典型射频波加热下15-40Å、45-137Å及200-420Å波段钨光谱分别来自W24+ - W33+、W24+ - W45+ 和W4+ - W7+离子，其电离态构成随等离子体电子温度的变化而变化。结合钨原子数据库发展了三种钨杂质定量诊断技术，获得芯部钨杂质浓度随ELM频率、加热功率的变化，获得EAST等离子体钨杂质导致H-L转换及破裂的浓度阈值为6.0×10^{-5} - 3.0×10^{-4}，获得典型放电中W43+、W45+钨杂质分布。探索了利用锂壁处理手段控制钨杂质源以及芯部钨杂质含量的途径。统计得到钨内部部件损伤主要为上偏滤器熔化和低杂波天线保护限制器溅射，2018年实验中由于这两种损伤带来的芯部钨杂质辐射造成破裂占总破裂的比例分别为15%和3%。EAST上钨光谱的测量、钨杂质的光谱诊断技术的完善以及钨杂质行为的实验研究不仅有助于实现EAST长脉冲高参数的目标，还对ITER在钨偏滤器条件下的运行以及今后聚变反应堆（例如CFETR）钨第一壁的设计具有重要的参考意义。