EAST 高功率等离子体中边界辐射对能量约束的影响及辐射控制实验研究

The heat flux to plasma facing components can be reduced by radiation cooling using impurities seeding technique. However, investigations on many tokamaks have found that the energy confinement tends to deteriorate in high radiation power condition,which probably is related with the profile changes of some plasma parameters. The mechanism of the confinement changes is not clear presently. Plasma operation combining the requirements of high radiation power and good confinement with tolerable impurity pollution is the goal of current research.The research subject in this report will be carried out on the EAST device.The radiation real-time feedback control system will be developed based on the EAST bolometer diagnostic and the impurities seeding experiments will be done on high power plasmas.The effect of high edge radation power loss on the the profiles of basic plasma parameters will be studied by controlling the total radiation power and the radiation power distribution, which can help further understand the mechanism of confinement changes caused by radiation cooling. Purposes of the research is to find the proper radiation control method for EAST high power long pulse discharges and help develop and benchmark empirical scalings for radiative power removal under ITER-like conditions.

利用杂质注入技术主动增加等离子体边界的辐射功率是减小流向第一壁热流的有效方法，但多数托卡马克装置上的实验发现，边界高的辐射功率损失会使等离子体的能量约束变差。这可能与等离子体中一些基本参数分布的变化有关，但具体物理过程和机制仍不清楚。在高辐射功率损失条件下，保持好的能量约束和可容忍的杂质水平是一直以来的研究目标。本项目将依托于全超导托卡马克EAST实验平台，基于EAST上现有的辐射量热诊断系统，建立辐射功率实时反馈控制系统并开展高功率条件下的杂质注入实验，通过对辐射总功率和辐射功率分布的控制，研究边界辐射功率损失对等离子体基本参数分布的影响，进一步揭示边界辐射冷却效应对能量约束的影响机制。为EAST高功率长脉冲运行寻找合适的辐射控制模式并为发展ITER运行条件下的辐射热流移除经验定标公式提供可校核的基础数据。

在未来聚变实验装置或DEMO 装置上，必须通过主动的热沉积控制，以保证偏滤器靶板材料的安全性。在多数托卡马克装置上已证实，利用杂质注入技术主动增加等离子体边界的辐射功率是减小流向第一壁热流的有效方法，但关键是要同时兼顾芯部的能量约束和可容忍的杂质水平。高功率长脉冲运行是全超导托卡马克EAST 装置的主要运行目标之一。在长脉冲条件下，热流控制非常重要。本项目依托于EAST实验平台，对EAST 上现有的辐射量热诊断系统和偏滤器充气系统进行了系统改进。通过实验开展了外部杂质气体Ar、Ne、D2以及混合气体的注入实验研究。研究了等离子体辐射对外部注入气体的响应特点以及对充气位置、等离子体位形等参数的依赖关系。结果显示，在EAST目前加热功率的条件下，根据典型的电子温度分布，Ar气体的主辐射层位置在H-mode 的台基区域以内，辐射容易使流过边界的净功率低于H-mode 阈值，进而使约束变差，而Ne 气体的主辐射层位置比Ar靠外，比较适合EAST现有的参数，同时观察到少量Ne气体 注入对H-mode 边界局域模ELM 的缓解效果，主要是由于注入气体改变了台基区的密度分布。基于辐射量热诊断系统，建立了一套快速实时信号采集、处理和辐射功率反馈控制系统。通过实验探索，实现了超声分子束和偏滤器充气相结合的反馈控制模式。为今后EAST 长脉冲运行下的热流控制提供一种可行的控制模式。