高功率长脉冲条件下EAST偏滤器脱靶实验行为研究

The mitigation of the heat load on divertor plates is essential for the aim of the steady-state high-power long-pulse operation on ITER. Currently, the divertor detachment offers one of the most attractive means of addresing this very important issue. The EAST tokamak has fully superconducting coils with divertor plasma configurations similar to ITER.To ensure high-power long-pulse operations on EAST with the divertor heat flux up to 10MW/m2, it calls for the clear understanding of the characteristics of detached plasma on EAST, which is also a critical ITER-relevant issue. So far, the detachment is studied extensively, but still limited to the short-pulse scenarios.This project will carry out, for the first time, the study of the divertor detachment on EAST under high-power long-pulse operation conditions, which is highly relevant to ITER. The proposed research will couple detailed diagnostic measurements with edge plasma modelling to investigate: 1)detachment characteristics, to explore optimized scenarios for detached plasma regimes; 2)underlying detachment mechanism,to explore effective means for achieving detachment; 3)detachment feedback control, to maintaining divertor detachment for high-power and long-pulse operations.

未来ITER运行目标是实现高功率长脉冲稳态等离子体，实现该目标的必要条件之一：是能够有效降低流向偏滤器靶板的较高热负荷。目前最引人关注的方法之一，是实现稳态的偏滤器脱靶运行，这也是人们研究的重点问题。本项目以EAST装置为研究平台，它拥有与ITER类似的全超导非圆截面装置，为保障EAST下一阶段更高热负荷（10MW/m2）条件下高功率长脉冲运行，对EAST偏滤器脱靶行为特性的充分认识提出了迫切要求，同时该项目研究对ITER也将具有直接的参考价值和重要意义。到目前为止，绝大部分装置上脱靶行为的研究仍然局限在短脉冲条件下。该项目将首次把高功率长脉冲运行和偏滤器脱靶行为研究紧密结合，基于EAST边界诊断测量及数值模拟分析来：1）研究脱靶基本行为特性，探索实现脱靶运行的优化实验区间；2）研究脱靶基本行为机制，探索实现脱靶的有效控制；3）进一步研究利用反馈控制，实现EAST高功率长脉冲脱靶等离子体。

高功率稳态等离子体运行是未来ITER的重要科学目标之一，实现该目标的必要条件是如何有效地降低和控制偏滤器靶板的热负荷，而脱靶运行是最引人关注的方法之一。EAST是国际上首个建成的有能力进行长脉冲高功率运行且与 ITER 技术直接相关的全超导托卡马克。本项目以EAST装置为依托；以其科学目标为牵引；以具体的实验研究与数值模拟相结合为手段；首次针对稳态脱靶行为特性，开展了深入的相关实验研究，其研究经验可以直接为ITER提供重要的工程和物理实验基础。.诊断及控制系统的完善与发展：（1）完善了大视场（47◦ × 59◦）红外/可见集成内窥镜诊断系统，提高了部分光谱诊断系统的时空分辨率；（2）改进杂质充气系统，有效地缩短了充气延迟时间（～80ms）；(3) 建立了辐射主动反馈控制系统，并将辐射测量扩至整个偏滤器。.偏滤器脱靶行为的实验研究：（1）研究了脱靶行为及参数范围与稳态运行条件的依赖关系，结合数值模拟验证脱靶实验特征与SOL参数及偏滤器的中性压力和Da发射谱的关联。（2）通过RMP和LHCD/SMBI开展了边界粒子输运和偏滤器靶板打击点撕裂现象的研究，分析了主次打击点粒子流热流的分布行为。（3）开展了杂质及弹丸注入下不对称脱靶行为的实验研究, 通过主动反馈探索了脱靶稳态运行的物理和工程可行性。适量的杂质气体的注入，靶板最大热负荷从6MW m-2降至0.5MWm-2。在弹丸注入后上下偏滤器内靶板的脱靶度峰值达到了15-30，而外靶板的脱靶度也达到了3左右。.数值模拟研究：研究了相关电离、 辐射、 中性离子碰撞和复合等协同效应的物理过程及其对靶板热负荷降低的机制。移植和应用了三维程序EMC3-EIRENE，发展了三维平衡场网格产生程序系统地分析了三维场效应对脱靶等离子体边界行为的影响。并应用二维边界模拟程序SOLPS研究了脱靶行为与中性粒子及经典漂移相关的物理和工程问题。另外原子分子数据库及分析系统ADAS应用于诊断测量以及模拟计算。