托卡马克上湍流对杂质输运的影响及高Z杂质聚中的实验研究

Impurity accumulation toward the plasma center may influence the steady state operation and the efficient fusion yield in a fusion reactor. In ITER, the effective charge Zeff is specified to be below 1.5. This could be a severe request to a reactor regarding to the tungsten tiles in the divertor and fusion reaction ashes. Therefore, the studies of impurity transport and control are intensively carried out in the fusion society. In the experimental point of view, the central ECRH can control impurity content in the plasma and lead impurity convection velocity directed outwards. Based on the drift turbulent theory, when ITG instability is dominant the convection velocity directs inwards and when TEM modes are dominant V directs outwards. Because of the limitation of the experiments particularly the difficult of turbulence related diagnostics, the theory can partially explain the experiments in qualitatively. In HL-2A the turbulent modes related to the different normalized gradient of electron density and temperature will be indentified in the experiments. Based on the trace impurity (metallic and gaseous) injection by using the LBO and SMBI the impurity diffusion coefficient and convection velocity of impurity can be also measured. The relationship between the reversal of impurity convection with ECRH and the normalized gradients as well as its threshold will be studied quantitatively. The effects of W on plasma confinement in the high performance discharges will also be investigated by injected W intentionally.

杂质在等离子体芯部的堆积会严重影响聚变反应堆的稳态运行和聚变产额，在ITER上有效电荷数要求低于1.5，这对计划使用钨作为第一壁材料和氦灰产生的ITER条件十分苛刻，因此杂质的输运研究和控制是当前聚变研究的热点。在实验中，ECRH可部分控制等离子体中的杂质含量，使杂质对流速度V向外。基于漂移波湍流理论认为，当ITG占主导地位时V向里，而当TEM占主导地位时V向外。然而由于实验数据的局限性，特别是芯部湍流实际测量的困难，湍流理论只能部分与实验相符，而且是定性的。本项目拟在HL-2A上通过直接测量各种等离子体温度密度归一化梯度下的湍流特性，利用LBO和SMBI主动注入各种杂质离子（包括金属和气体杂质），直接测量各种湍流模式下的杂质扩散系数和对流速度值，定量研究温度梯度和密度梯度阈值在杂质对流速度反转中的作用，并在高约束模下通过主动引入W杂质，研究W的输运特性及对等离子体放电品质的影响。

由于杂质在等离子体芯部的堆积会严重影响聚变反应堆的稳态运行和聚变产额，特别是ITER上钨作为第一壁材料，以及氦灰的产生必将对ITER的运行提出极大挑战，因此杂质输运和控制是当前聚变研究的重点课题。本面上项目针对该研究领域的热点问题，结合HL-2A上的研究基础提出的主要研究内容有：杂质输运系数的全域测量，各种等离子体放电条件下的多种杂质注入实验，杂质输运系数模拟方法的改进，杂质输运机制及主动排出实验方法的探索，特别是有关ECRH控制等离子体中杂质含量的机制研究，以及钨杂质注入和其光谱研究。项目在这4年（2014-2017）的执行过程中，主要是按照各年的研究计划进行，每一年度都得到阶段性成果并发表了多篇论文。在杂质注入方法和ECRH排出杂质机制方面更获得一些新的研究成果，比如我们在激光吹气注入杂质实验中，为了提高实验效率，我们发展了任意多发激光吹气系统，大大提高了杂质注入效率，系统的可靠性也有很大提升。在ECRH排出杂质的机制方面，实验发现随着ECRH功率沉积位置从锯齿反转面外移动到锯齿反转面内时，杂质输运增强明显，芯部软X信号上的正锯齿变为反锯齿，通过模式分析发现在反锯齿存在期间出现了一长时间存在的m/n=1/1 MHD 模，其对杂质、等离子体粒子和热的输运影响都非常大，于是在关注湍流对杂质输运影响的同时，我们也对MHD在杂质输运中的作用进行了深入分析，该结果在2016年IAEA 能源大会上进行了展示，获得了广泛关注，相关论文已发表在NF上。在本基金支持下申请了两项专利，完成论文10篇，其中已发表的8篇，均为SCI收录；会议交流报告23篇，其中22篇为国际会议交流报告(13篇为口头报告)，1篇为国内大会口头报告；国防科技报告若干篇。