托卡马克等离子体中杂质粒子输运及控制的实验研究

托卡马克等离子体中的杂质可引起芯部燃料稀释，降低聚变产额，增加能量损失，诱发破裂不稳定性，严重影响托卡马克的稳态运行。而杂质主要产生于等离子体与器壁相互作用，正在建造的国际热核实验堆ITER计划使用全钨壁和为了减少偏滤器靶板上的热负荷而在等离子体边缘主动注入杂质，以及最近通过大量的实验数据预测的ITER密度分布的峰化因子约为1.45，比原先预计的更加峰化，这些都使得对杂质输运问题的研究变得十分必要和紧迫。然而杂质输运问题十分复杂，无论是实验还是理论，目前对杂质输运问题的理解都不足以预测未来ITER运行时的杂质行为。本项目拟在HL-2A装置上通过稳态和扰动法注入杂质，提高杂质离子输运系数实验测量的准确度；通过主动注入多种杂质于不同的放电模式中，研究杂质输运对等离子体参数及其分布的依赖关系；并利用本院运用得比较成熟的四种辅助加热手段，抑制杂质的芯部堆积和实现杂质的主动控制。

首先完成了杂质注入系统的改进，包括将激光吹气杂质注入斑点手动调节改为远程计算机控制，提高了杂质注入量和时刻的精确调节；并首次将超声分子束SMBI用于杂质输运研究，通过大量的实验找到了适合HL-2A装置等离子体中杂质输运研究的最佳脉冲宽度和气体压强参数。建立了芯部杂质光谱测量EUV光学系统，开展了相关光谱研究。开展了激光吹气和SMBI杂质注入实验研究，对比分析了两种方法给出的杂质输运系数；探索了稳态条件下利用等离子体中固有杂质碳的多个电离态线辐射光谱的空间分布，获取杂质扩散系数和对流速度的新方法。开展了各种放电条件下的杂质输运实验研究，建成了杂质约束特性与等离子体参数依赖关系的数据库，分析了杂质聚中的实验条件；利用扰动法和稳态法分别获取了欧姆、ECRH和NBI加热条件下的杂质输运系数，观察到ECRH条件下杂质对流速度从欧姆的向里反转为向外，探索了杂质主动控制的实验方法。