偏滤器充气脱靶及杂质输运的SOLPS模拟研究

The interaction between edge plasma and its facing wall is one of the most important issue of the magnetic-confined fusion device Tokamak research. In order to maintain long pulse operation and prolong the lifetime of the device, the heat load on divertor target should be controlled, therefore, divertor detachment discharge operation is required. Impurity gas puffing from divertor region is one of the most effective way to reduce the heat flux to the target. However, the atomic and molecule reactions in this region are very complicated, which make it difficult to fully understand this detachment. Besides, the impurity may also escape from the divertor region and permeate into core plasma from divertor, resulting in the aggravation of the discharge confined performance or even disruption. These require us to study the effect of impurity gas on the edge plasma and the impurity transport during detachment especially for future high power discharge. In this project, we will use two dimension edge plasma code SOLPS to study the impurity-seeded detachment and the corresponding impurity transport on EAST and HL-2M devices. The project contains five parts of work: (1)Effect of different impurity gas on the detachment; (2)Impurity-seeded detachment under different input power level, especially for the high-power case; (3) The transport of the impurities in SOL and the effects of drifts on the transport; (4) The physical mechanism of impurity penctrating into core plasma; (5) The effect of gas puffing location on the detachment.

在托卡马克核聚变装置中边界等离子体与壁材料相互作用是最主要研究课题之一。为了保证聚变的可持续进行及装置的寿命，需要控制入射到偏滤器靶板的能流和偏滤器等离子体温度尽可能小，即实现等离子体脱靶运行模式。在偏滤器区域注入杂质气体从而辐射掉大多数能量以降低入射到靶板的能流是其中一个最有效的方法，但是由于偏滤器区域的原子分子过程非常复杂，而且如果杂质输运进入到芯部，将会严重影响等离子体的约束性能，甚至导致熄火。因此理解辐射偏滤器过程中充入杂质气体对等离子体脱靶的影响以及杂质在边界等离子体中的输运非常重要。本项目将使用二维等离子体程序SOLPS，针对国内聚变装置EAST/HL-2A(M)进行五个方面研究：不同杂质气体对脱靶的影响；不同加热功率（尤其是高功率）情况下注入杂质气体实现偏滤器脱靶研究；杂质在刮削层的输运和漂移对输运的影响，以及杂质进入芯部等离子体行为；注入杂质气体位置对脱靶的影响。

在托卡马克核聚变装置中边界等离子体输运及其与壁材料相互作用是最主要研究课题之一。为了保证聚变装置的安全运行及装置的寿命，需要控制入射到偏滤器靶板的能流，即实现等离子体半脱靶或脱靶运行模式。在偏滤器区域注入杂质气体从而辐射掉大多数能量以降低入射到靶板的能流是其中一个最有效的方法。本项目采用大型边界流体程序SOLPS（二维）和EMC3（三维）等，针对EAST和HL-2A/2M托卡马克装置，开展了边界等离子体（包括杂质）的输运、辐射及脱靶研究。完成研究成果如下：（1）辐射损失（燃料粒子和杂质粒子辐射）是粒子流反转或脱靶的根本原因，当氖气、氩气从下游偏滤器打击点附近充入时，杂质对上游等离子体影响比较小，氖、氩杂质粒子主要分布在偏滤器区域，杂质粒子通过激发、电离、复合等反应辐射耗散更多的等离子体能量，从而显著减少沉积到靶板上的能流，达到半脱靶或脱靶状态，氩原子比较好的辐射杂质；（2）电漂移是诱导偏滤器靶板内外不对称性的重要因素，在低约束L模和高约束H模放电状态下径向与极向电漂移分量在诱导偏滤器内外不对称中起作用不同；（3）EAST锂杂质三维输运模拟研究表明：锂粉注入位置对锂杂质输运和辐射特性明显的影响，并且比较了不同锂注入位置下偏滤器靶板上能流和粒子流沉积分布；（4）对于边界局域模，由于电子首先到达靶板，明显增大了鞘层的电压降，鞘层电场加速离子，使入射靶板离子能量增大了约百分之三十，对靶板侵蚀比较严重；（5）对于HL-2M装置，研究了传统和雪花偏滤器脱靶及杂质输运，雪花偏滤器能够显著降低外偏滤器脱靶阈值、沉积热流和沉积粒子流，主要由于雪花偏滤器显著的极向流扩张增加等离子体接触面积和雪花偏滤器碳杂质总辐射功率更高。本项目的研究成果有比较重要的科学意义，对EAST和HL-2A/M装置的安全运行及未来先进托卡马克装置的设计有参考价值。达到了预定的研究目标。圆满完成了计划研究内容和预期成果。