与托克马克高约束运行模式有关的弹丸注入研究

Controlled nuclear fusion through magnetic confinement is a promising energy resoure for the world. The high confinement operation mode(h-mode) of Tokamaks may significantly reduce the scale and costs of next generation experimental devices and fusion demonstration reactors. H-mode with type-I edge localized modes(ELMs) has been proposed as the international thermonuclear experimental reactor(ITER) baseline scenario for the inductive operation with a fusion product of Q=10. However,Type-I ELMy lead to a periodic expulsion of a considerable fraction of the stored energy content onto the plasma facing components and divertor target,these particles and energy will pose a severe problem for the integrity and lifetime of those components. Pellet injection is considered as one of potential tools for ELM contol/mitigation.Meanwhile pellet injection can reduce the power threshold.The study of L-H transition is the key issues. The limit cycle oscillation as a precursor of L-H transition are investigated. Typical ELMy H-mode discharges have been achieved on the HL-2A tokamak with combined auxiliary heating of neutral beam injection(NBI) and electron cyclotron resonance heating(ECRH),which provides a basis for the study of pellet injection concerned highe confinement operation mode,for example: ELM control, L-H transition and pedestal physics.

磁约束受控核聚变是最终解决人类能源问题的有希望的途径之一，托克马克的高约束运行模式可以大大降低下一代磁约束聚变实验装置和将来的聚变示范反应堆的规模和造价。国际热核实验反应堆已经把具有I型边缘局域模的高约束运行模式作为其常规运行模式。弹丸注入可以用来控制和缓解在边缘局域模发生过程中从等离子体边缘喷射到第一壁和偏滤器靶板的大量的粒子和能量，以减少这些组件被腐蚀和损害。同时，弹丸注入可以降低高约束运行模式需要的功率阈值.从低约束模式到高约束运行模式的转换机制是目前聚变界关注的热点课题，有限环震荡作为一种先兆被广泛关注。具有边缘局域模的高约束运行模式已经在中国换流器二号（HL-2A）托卡马克物理试验中得以实现,这为研究与高约束模式有关的弹丸注入课题提供了基础。例如：边缘局域模的控制，L-H转换以及台基物理等。

本项目开展了与托卡马克高约束运行模式有关的弹丸注入研究。包含以下几个主要方面的内容：1）研制了国际先进的弹丸注入系统，并在HL-2A聚变装置上开展了国内首次的弹丸对于边缘局域模的缓解与控制实验研究。通过对于弹丸大小、注入频率、注入速度等主要工程参数的调节，使得弹丸对于等离子体高约束运行模式下的ELM的缓解和控制取得了显著效果。弹丸注入提高了ELM的频率，降低了其幅度，使得输运到偏滤器靶板的瞬间热通量强烈降低；2）在不同的辅助加热条件下，注入弹丸，研究了弹丸对于等离子体高约束运行模式的触发作用；3）重点研究了弹丸注入对于台基区ELM-filament的抑制机理。.通过以上的研究，我们可以发现用弹丸注入可以有效地缓解和控制ELM短时间内从等离子体边缘区域喷射到装置第一壁和偏滤器靶板上的大量的粒子和能量，从而提高第一壁材料的耐腐蚀值和使用寿命，为未来的聚变装置以及聚变示范反应堆提供一种可靠的控制边缘局域模的方法。通过弹丸注入对等离子体高约束模的触发等研究，可以为以后ITER等的辅助加热系统功率和规模提供数据的参考。而对于有限环震荡的观察以及弹丸注入引起的台基区物理量的变化，则为研究等离子体高约束运行模式的形成、演化、约束等的改善提供了有效的手段。