EAST托卡马克先进运行模式的设计及其混合加热等离子体性能的预测研究

Advanced operation scenario is important to realize high performance, stable and steady-state future reactor plasma operation. Single auxiliary heating method will not meet the requirement of this scenario. However, the mix of auxiliary heating methods, including various radio-frequency (RF) wave and neutral beam (NB), will have complicated and nonlinear response on plasmas. And it is not easy to predict and to estimate plasma performance in this complicated scenario. Powerful simulation code is then developed to be used in experiment simulation and scenario design. According to future development of EAST tokamak facility, this project will design different kinds of advanced scenario, which is suitable for the machine capacity in different EAST development phases, taking advantage of the feature of external heating mix and dominant RF heated plasmas. The comprehensive simulation code PTRANSP and TSC, will provide the detailed discharge controlled parameters and the feature of its plasma performance. Experimental proposals, which are based on the result of this project, will be made for near future EAST campaign to validate the simulation. The implementation of this project will provide the EAST team a foundation in realizing the established scientific goals of EAST and supply database and practical experiences to ITER.

先进运行模式是实现未来聚变堆等离子体高性能、稳定、稳态运行的重要条件，但单一的辅助加热方式无法满足实现该运行模式的要求，而混合的辅助加热方式（各种射频波以及中性束）则将使等离子体产生复杂的、非线性的、无法简单估算的响应。这使得人们不得不依靠强大的模拟计算工具进行相关的实验模拟和方案设计。本项目在大科学工程装置EAST托卡马克装置和物理实验条件良好的发展势头下，计划根据EAST的发展规划，以射频波为主的混合辅助加热方式为主要特点，利用大型综合模拟程序PTRANSP和TSC，设计适合于EAST不同装置能力阶段的先进运行模式实验方案，给出具体的外部参数配置及其等离子体的特性，获得具有前瞻性的预研结果，并据此在近期的EAST实验中形成实验提案，验证模拟方案。本项目的顺利实施将有助于EAST实现其既定的科学目标并向ITER提供数据和实际经验。

通过本项目的研究，我们引进移植了TSC模拟程序，在EAST上开展了EAST等离子体性能相关的控制模拟工作，包括增加位形约束模块，实现目标偏滤器等离子体平衡的设计，控制准雪花偏滤器位形，开展VDE刚性区等离子体演化过程研究，针对不同输运模型计算等离子体温度分布演化及伏秒消耗情况分析。为EAST长脉冲实验提供了重要的参考数据。我们在EAST及CFETR先进运行模式设计及实验验证方面进行了较系统的工作。为实现高性能的完全非感应先进运行模式，通过0维分析，我们给出EAST上“H_98~1.3+f_neG~0.7”作为500 kA电流平台下主要的目标等离子体参数区间的结论。利用1.5维模拟，我们给出了相应的等离子体随时间演化的具体波形、参数配置和演化结果。结合EAST实际情况，我们设计了短脉冲中性束预加热，长脉冲射频波稳态注入的基本放电波形。包括电流上升段时间跨度为1-9 秒的模拟结果显示，主要等离子体参数将在6秒之后达到稳定，欧姆电流降至0，实现完全非感应驱动状态，其中自举电流达到75%左右。最终实现的等离子体性能达到beta_N~2.6，这与H_98~1.5的高约束状态是密不可分的。针对EAST实现高beta_p运行模式的主线任务，我们依据0维模拟在已有实验状态的基础上给出发展到目标参数的可能路径，以及在未来装置能力条件下能够实现的状态。这些模拟预测结果为EAST在近期实验中获得超过60秒完全非感应H模等离子体起到了重要的指导和参考作用。应用0维模型，我们还进行了从EAST到CFETR的运行模式的拓展设计，给出了在不同参数条件下能够实现其设计目标的要求，对CFETR物理设计有比较重要的意义。