EAST托卡马克锂壁涂层条件下中性粒子对L-H转换阈值功率的影响

高约束模（H模）是ITER预期运行的基本模式。由于ITER运行初期辅助加热功率并不高，因此对低约束模向高约束模转换（L-H转换）的阈值功率的研究具有十分重要的现实意义。2010年秋季EAST实验中通过锂蒸发涂层和实时锂粉注入获得H模的实验现象表明，锂壁涂层利于控制边界再循环及杂质辐射。同时H模的获得存在密度阈值；随着锂的累积X点处的中性粒子密度下降了4倍，获得H模所需的低杂波净注入功率从1.1MW下降至0.4MW；高场侧及偏滤器充气利于H模的获得等一系列实验现象都反映了中性粒子对L-H转换功率阈值的影响。可能存在的物理机制为：中性粒子与离子电荷交换引起离子动量损失，改变径向电场和E×B流速度的大小和分布。本项目拟通过观测EAST装置不同实验条件下锂与中性粒子相互作用以及中性粒子极向、径向分布的改变对L-H转换的影响，研究中性粒子在L-H转换功率阈值中的作用，探索降低该阈值的途径。

在本项目的支持下，我们对EAST不同第一壁材料、不同偏滤器位型、不同锂化程度下L-H转换的功率阈值进行全面系统的实验研究，得到的结论有：（1）EAST等离子体L-H转换功率阈值对等离子体位形的依赖关系与别的装置不同，当离子曲率漂移方向背离偏滤器时，所需要的功率阈值较低，这对ITER上H模运行有很高的参考价值；（2）EAST上L-H转换的功率阈值与国际托卡马克定标率基本接近；（3）EAST全石墨壁条件下，双零偏滤器位型的L-H转换功率阈值最低，下单零位型其次；（4）石墨壁条件下随着锂化的累积，X点中性粒子的水平大幅降低，L-H转换阈值功率降低，H模性能提高；（5）EAST第一壁为钼壁、石墨偏滤器情况，随着锂化的累积，中性粒子密度或边界再循环在锂化累积一定阶段后有明显下降的趋势，在相同的实验条件下，随着锂化的累积，L-H转换的功率阈值呈现下降的趋势。我们定量的研究了锂化对中性粒子、边界再循环的抑制作用，发现多次锂化使得氢氘比H/(H+D)从60%降至4%左右，使ICRF出现更好的加热效果，H-mode阈值功率得到进一步降低，等离子体运行区间被拓展；还利用超声分子束加料技术得出单次锂化壁处理之后新鲜锂壁的抽气作用可以持续250秒，再循环系数从R=0.89增加到R=0.96。我们还对中性粒子与离子电荷交换带来的力矩进行了理论模拟；对等离子体边界电荷交换过程的截面进行了理论模拟；对偏滤器等离子体脱靶过程中的分子过程进行了初步的实验研究；还将三维边界模拟程序EMC3-EIRENE应用到EAST上。在本项目的支持下，我们还研制和升级了相关诊断设备。包括：（1）用来观测中性粒子密度大小和分布的Filterscope系统、高速相机系统；（2）用来观测边界原子、分子物理过程的可见高谱分辨谱仪；（3）用来观测不同锂壁涂层条件下锂膜厚度及杂质成分的激光诱导击穿光谱(LIBS)系统；（4）用来观测锂壁涂层对杂质粒子控制效果的可见轫致辐射系统以及快速极紫外光谱仪系统。