长脉冲条件下EAST偏滤器中钨杂质产生及其聚芯效应的数值模拟研究

The divertor is one of the key components in Tokamak and suffers the huge heat and particle fluxes from the core plasma. The sputtering and transport of impurities especially the tungsten impurity in the divertor of Tokamak are the key issues for the properties of divertor and plasma confinement with steady state. Focusing on the upgraded EAST with the full W divertor, the project is committed by using the two-dimensional Monte Carlo impurity transport code DIVIMP and two-dimensional fluid SOLPS code, combining with the diagnostics data of spectroscopy about W. The project mainly investigates the process of sputtering and redeposition of W impurity in the divertor target in order to protect the target not to be erosion. By investigating the transport of W impurity, the W impurity can be controlled only in the edge of Tokamak to protect the core plasma. Furthermore, some important improvements will be given to EAST under long-pulse and high-power operations, which will be also helpful for ITER with full W divertor.

偏滤器是先进磁约束核聚变装置托卡马克的关键组成部分，承受着来自芯部等离子体的巨大粒子流和热流，其靶板表面产生的杂质尤其是高原子序数钨杂质，对托卡马克偏滤器靶板的使用寿命及聚变等离子体的整体性能具有至关重要的影响。本研究项目针对升级为全钨偏滤器结构的EAST，采用二维蒙特卡罗杂质输运程序DIVIMP和等离子体流体程序SOLPS，结合EAST的边界钨杂质光谱诊断数据，通过数值模拟力求阐明EAST偏滤器靶板钨杂质产生及其再沉积物理过程和内在机制，揭示EAST不同加热功率和不同加热方式耦合对钨偏滤器靶板表面腐蚀程度的影响及机理，搞清钨杂质跨越磁力线的非经典输运机制，在此基础上，探索抑制钨杂质的聚集芯部的有效方法，以避免芯部等离子体破裂，实现EAST高功率长脉冲稳态条件下运行，为装置下一步改进提供科学依据，同时为正在建设具有全钨偏滤器的ITER提供直接而有益的理论和经验支持。

偏滤器是磁约束核聚变装置托卡马克一个至关重要部件，有关偏滤器的设计、建造及运行也是目前世界磁约束核聚变领域里核心问题之一。来自托卡马克芯部高温等离子体热流和粒子流通过分界面流向偏滤器区域，从而对偏滤器靶板产生巨大威胁，靶板溅射产生的杂质尤其是高原子序数钨杂质对偏滤器的使用寿命及芯部等离子体的性能有着至关重要的影响。本研究项目针对即将升级为全钨偏滤器结构的EAST，将二维等离子体流体程序SOLPS和二维蒙特卡罗杂质输运程序DIVIMP相耦合，对碳、钨杂质的溅射及输运开展了系统数值模拟研究，碳杂质作为主要辐射杂质，有助于降低流向偏滤器靶板热流密度，缓解偏滤器靶板热负荷，但是碳杂质的最高价态C6+离子容易导致靶板钨杂质产生，降低偏滤器钨靶板使用寿命，并且溅射产生的钨杂质经输运聚集到等离子体芯部区域。本项目同时设计优化了EAST新钨偏滤器位形结构，可以在较低上游密度条件下实现偏滤器部分脱靶或者脱靶状态，从而有效抑制偏滤器靶板钨杂质溅射及其聚芯，为正在建设具有全钨偏滤器的ITER提供直接而有益的理论和经验支持。