芯部加热抑制EAST长脉冲H模等离子体钨杂质聚芯的实验与机理研究

The huge radiation power loss due to tungsten accumulation in H-mode plasma is a big issue to achieve steady-state high performance plasma on EAST tokamak. So far, the study on the experimental approaches to control the tungsten impurity in plasma core during long pulse H-mode discharge can only be demonstrated on EAST tokamak which is capable of long pulse steady-state operation. The effective suppression of tungsten accumulation by central heating with application of electron cyclotron resonance heating (ECRH) and 4.6GHz low hybrid wave (LHW) have been already observed in EAST H-mode plasma. In this proposal, the experimental and theoretical study on tungsten transport in NBI- and RF-heated plasma will be systematically carried out to obtain the experimental approaches to control the tungsten transport and understand the underlying physics. The objective of this proposal is to realize the suppression of tungsten accumulation and control of tungsten content in plasma core during long pulse H-mode plasma with high power NBI by central heating with application of ECRH and 4.6GHz LHW, and to support EAST to achieve steady-state long pulse H-mode with low tungsten level and enhanced confinement. The exploration of study on tungsten accumulation suppression during long pulse H-mode on EAST tokamak is very significative for steady-state operation of ITER with tungsten divertor and design of first wall in future fusion reactor.

EAST H模等离子体中钨杂质聚芯带来的辐射冷却是个严峻的问题。国际装置在长脉冲H模条件下芯部钨杂质控制手段方面的研究仍是空白。EAST是目前唯一具备开展此项研究的装置，而且实验中我们已经观察到电子回旋和4.6GHz低杂波芯部加热对钨杂质聚芯的有效抑制。拟通过本项目的支持，针对EAST中性束及射频波协同加热下钨杂质输运开展系统的实验和机理研究，获得有效控制钨杂质输运的实验手段并理解其背后机理，实现电子回旋和4.6GHz低杂波芯部加热有效控制以NBI加热为主的长脉冲H模等离子体中钨杂质聚芯以及芯部钨杂质含量，帮助EAST获得钨杂质含量较低的增强约束的稳态长脉冲H模等离子体。在EAST这一稳态长脉冲装置上开展芯部钨杂质控制相关的实验和机理研究不仅有助于EAST实现长脉冲高参数的目标，而且对ITER在钨偏滤器条件下的稳态长脉冲运行以及今后聚变反应堆钨第一壁的设计都具有重要的参考意义。

项目的背景和科学意义。钨由于其高溅射阈值、低溅射率及低放射性氚滞留率等优异特性将被应用到ITER装置并成为今后聚变反应堆第一壁的首选材料。EAST上偏滤器、低杂波天线保护限制器、下偏滤器分别于2014、2018和2021年升级成钨材料。EAST装置中不可避免的等离子体与壁相互作用将引入钨杂质，高功率NBI加热下钨杂质聚芯带来强的辐射功率损失，造成等离子体约束性能降低甚至直接破裂。因此研究芯部钨杂质的行为、聚芯过程、输运机理，利用多种手段控制芯部钨杂质不仅有助于实现EAST钨偏滤器条件下的稳态长脉冲高约束运行，还对ITER在钨偏滤器条件下的运行有重要的参考意义。.本项目聚焦于钨杂质行为、输运机理以及钨杂质控制研究。主要研究内容包括：不同加热模式及不同运行区下芯部钨杂质行为的定量研究；基于先进的杂质和辐射诊断的钨杂质聚芯过程研究；钨杂质控制手段的实验研究；基于多种钨杂质控制手段协同的长脉冲高参数运行的实现；利用芯部钨杂质集成模拟，开展了电子回旋芯部钨杂质输运机理的模拟研究。.重要结果和关键数据包括：获得芯部钨杂质含量随ELMs频率的变化关系以及不同钨PFCs阶段芯部钨杂质含量的演化规律。梳理了钨杂质聚芯的过程及其对等离子体参数分布的影响。利用低杂波和电子回旋加热协同、增加q95、降低环向旋转等手段控制芯部钨杂质水平。芯部钨杂质输运的集成模拟结果显示（1）峰化的密度分布以及强的环向旋转会引起钨杂质强的朝内的新经典pinch，造成钨杂质聚芯，（2）芯部加热带来的高电子温度和大的温度梯度引起湍流输运避免钨聚芯。模拟结果较好地解释了实验结果。最终利用多种实验手段协同，我们实现了EAST装置1056秒的长脉冲高参数运行。