EAST全金属壁长脉冲运行下的破裂预测及主动避免实验研究

Major disruption limits the tokamak to obtain high performance plasma with high parameters, and its consequences poses a threaten to the device safety. In recent years, as the high Z material such as tungsten especially has been extensively used as the first wall of the tokamak, the disruption induced by the high Z impurity accumulation is observed to be the most dominant type in the operation of fully metal wall tokamak. As to this type of disruption observed on EAST, the project will develop an integrated prediction model based on the physical understanding of disruption mechanism. It can provide both the disruptive probability and the precursor alarm during a discharge, and therefore the relevant control method can be taken with respect to the different phase of disruption precursor. As a result, it is expected that the ratio of disruption induced by the high Z impurity accumulation on the long-pulse operation of fully metal wall tokamak is reduced effectively. Furthermore, a integrated method between the disruption avoidance and prediction and the relevant technique are attempted to be explored in the time scale of ITER-like operation.

等离子体大破裂限制托卡马克装置获取高参数高性能等离子体，并严重威胁装置安全。近年来，随着高Z材料特别是钨材料在托卡马克装置第一材料中的广泛应用，高Z杂质聚芯破裂已经成为金属壁托卡马克运行中最突出的破裂类型。本项目针对EAST上的高Z杂质聚芯破裂，拟在理解破裂物理机制的基础上发展能够同时提供破裂概率与先兆特征预警的集成预测模型，并开展针对不同破裂先兆特征采取不同控制方法的分段主动避免措施的实验研究，从而有效减小EAST全金属壁长脉冲运行下高Z杂质聚芯破裂发生几率，并在ITER运行时间尺度下探索破裂预测及主动避免集成的方法与关键技术。

等离子体大破裂限制托卡马克装置获取高参数高性能等离子体，并严重威胁装置安全。近.年来，随着高Z材料特别是钨材料在托卡马克装置第一材料中的广泛应用，高Z杂质聚芯破裂已经成为金属壁托卡马克运行中最突出的破裂类型。本项目针对EAST上的高Z杂质聚芯破裂，在分析先兆特征的基础上将大破裂演化的路径大致归为两类。一类是由杂质聚芯引起的电流分布改变从而引发的垂直位移破裂，另一类是由于杂质辐射引起等离子体冷却而引发的低阶撕裂模不稳定性及多模耦合。针对这两类破裂，分别发展了基于多变量分析破裂预测模型，和基于随机森林方法的破裂预测模型，用于实时计算放电过程中破裂发生的概率，为EAST长脉冲放电提供准确率>90%的破裂预警，用以触发破裂避免或者防护措施。针对破裂发展过程中的不同演化路径，本项目提出了分阶段控制的破裂防护策略：对于快速增长的垂直位移破裂，在给出破裂预警20ms内直接触发MGI破裂缓解来来降低破裂危害；而对于低阶撕裂模，则在给出破裂预警200ms内利用电子回旋波来抑制磁岛增长，从而避免大破裂。进一步地，在EAST上开展一系列电子回旋波控制撕裂模的实验研究，深入理解了破裂控制机理，并系统研究了电子回旋波沉积位置、功率阈值，注入方式等参数对破裂避免的影响，为发展长脉冲运行下破裂预测与主动控制的集成防护策略和关键技术的优化提供了重要物理基础。在本项目的支持下，相关研究成果发表论文4篇，授权国家发明专利1项，多次参加国内外学术交流合作，并协助指导博士后1名。