EAST高约束模式放电中钨杂质聚芯及其对等离子体性能影响的芯部-边界集成模拟

Tungsten impurity directly related to the lifetime of plasma facing components and safety of plasma operation, is an ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) highly concerned critical issue. This program proposes using the coupling of core transport analysis code ASTRA and edge transport code SOLPS (ASTRA-B2SOLPS) to perform integrated core-SOL-divertor modelling on tungsten impurity behaviors in H-mode discharges for EAST, which has similar structure and function with ITER, with various characteristics of magnetic field configuration, fueling, impurity seeding and plasma heating, further investigating the characteristics and time evolution of the consistent profiles of plasma parameters in the whole vacuum vessel, tungsten impurity production, dominant migration mechanism of tungsten impurity in the plasma boundary and core, distributions of tungsten impurity density and radiation, focusing on the content of tungsten impurity in core and its time evolution in combination with experimental investigation, and illustrating the physics mechanisms of the tungsten impurity accumulation in core and its influences on plasma performances, finally describing the implications and references of all the investigation results to the operation routine of ITER. This study will provide not only optimization and instruction to the operation and upgrading of EAST, but also significant scientific basis and data accumulation for future operation of ITER under full metal wall condition.

钨杂质问题直接影响到面向等离子体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非常关心的热点之一。本项目提出利用芯部输运分析程序ASTRA与边界输运程序SOLPS的耦合（ASTRA-B2SOLPS），针对与ITER结构和功能类似的全超导托卡马克EAST开展有关高约束模式下钨杂质行为的芯部-边界集成模拟。在不同的磁场位形、加料、杂质注入、加热方式等条件下，深入研究等离子体参数在整个真空室内的自洽分布与演化、钨杂质产生、钨杂质在等离子体中的运动迁移规律、钨杂质密度及辐射分布特征，重点分析钨杂质的芯部含量及其演化，结合相关实验研究，阐明钨杂质聚芯的主要驱动机制，评估钨杂质对等离子体性能的影响，并在此基础上阐明相关研究结果对ITER运行路线的参考与借鉴。本项目不仅可为EAST当前实验运行及进一步升级改造提供优化与指导，而且可为ITER全金属壁运行提供重要的科学依据和数据积累。

钨杂质问题直接影响到面向等离子体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非常关心的热点之一。研究钨杂质的产生及其自偏滤器区域向上游的输运，以探索钨杂质聚芯的物理机制是当前研究的主要目标。本课题基于与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，采用SOLPS、DIVIMP、ASTRA等程序模拟研究了EAST高约束模式放电中，偏滤器运行模式、经典漂移、杂质充气、边界局域模等放电条件下钨杂质的产生和输运特性。结果表明：偏滤器部分脱靶不仅可有效降低钨杂质的溅射，还可引入‘冲刷’效应，有效阻止钨杂质向上游输运与聚芯，但杂质充气会向等离子体中引入中、低Z杂质离子，其主导了钨偏滤器靶板的腐蚀； I类(type-I)边界局域模（ELM）高约束模式放电中，intra-ELM阶段所贡献芯部钨杂质含量占整个ELM周期内进入芯部钨杂质量的50%以上；经典漂移可显著改变刮削层流（SOL flows）及等离子体参数分布，从而显著影响钨杂质产生与输运。同时，升级了钨杂质辐射实验测量系统，观察到中性束注入诱发的钨杂质聚芯会引起芯部辐射的大幅增加，并对等离子体性能造成一定影响，但电子回旋波加热可有效抑制钨杂质聚芯，使放电性能得以恢复。本研究为EAST及ITER正在开展的钨偏滤器设计与优化，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。