EAST主动反馈控制辐射偏滤器实验研究

Mitigation of particle flow and heat flux from the high temperature core plasma deposited on the divertor surface is a key issue for magnetic confinement fusion device including EAST and future ITER when operated in long pulse, high power regime. The most effective solution the above mentioned problem is to introduce impurities into divertor plasma and reduce the heat load and sputtering on the target surface by radiation of the impurities. Based on the mega science project EAST, the active feedback control radiative divertor tokamak experiments will be carried out through improvement of radiative divertor feedback control system for EAST in this project. By means of the tokamak experiments, the plasma operation mode of active feedback control radiative divertor under high power, long pulse conditions will be comprehended, and the physics of partial detachment of the divertor plasma will be understood. Hence we could obtain the physics methods to mitigate the particle flow and heat flux from core plasma and maintain stable partial detachment to ensure the EAST safely under high-power, long-pulse operation. In addition, divertor modeling will be performed to explore advanced configuration and operation regime for EAST and to support the optimization design of EAST divertor and to lay a foundation for construction and operation of ITER.

降低来自芯部高温等离子体打向偏滤器表面的等离子体粒子流和热流是磁约束核聚变装置包括EAST以及未来ITER开展长脉冲、高功率核聚变实验必需解决的一个关键问题。目前最有效的等离子体物理方案就是适当引入杂质，通过辐射降低靶板表面的溅射和热沉积功率。本项目将依托EAST大科学工程，通过对EAST辐射偏滤器反馈控制系统进行完善，开展主动反馈控制辐射偏滤器托卡马克物理实验，详细了解高功率、长脉冲运行条件下主动反馈控制辐射偏滤器等离子体运行模式，认识偏滤器等离子体部分脱靶的基本物理机制，掌握降低来自中心等离子体的粒子流和热流的物理方法，实现并维持稳定等离子部分脱靶，保障EAST高功率、长脉冲运行；针对EAST偏滤器实验开展相关模拟，探索可实现高功率、长脉冲运行的先进偏滤器位形及运行模式，为EAST偏滤器的优化设计提供支持，为ITER建设和顺利运行打下物理基础。

托卡马克装置是探索实现磁约束核聚变的重要装置，随着托卡马克中功率的提升，来自上游等离子体作用在偏滤器靶板的热流将远超目前偏滤器靶板能够承受的极限，因此能量排除问题成为实现核聚变的关键问题之一。主动地引入惰性杂质气体，通过电离和电荷交换引起偏滤器和刮削层的辐射上涨，即采用辐射偏滤器运行模式，可以有效地降低偏滤器靶板上的热流和粒子流。.在本项目支持下，改造升级了EAST偏滤器杂质充气系统，将偏滤器充气系统响应时间从原来的400ms缩短到100ms以内，优化了充气口的位置，更精确对进气量进行控制，能满足各类偏滤器物理实验的需求。为了有效的控制偏滤器靶板粒子流和热负荷，实现长脉冲高参数等离子体放电的关键目标，合作完成了EAST辐射偏滤器主动反馈控制系统的设计和搭建，为开展EAST高参数长脉冲物理试验中的辐射反馈控制、脱靶反馈控制等多种反馈控制辐射偏滤器物理实验提供了硬件保证。.依托于EAST全超导托卡马克装置开展了一系列杂质注入辐射偏滤器实验研究，有针对性地研究了不同杂质比例的混合气体以及不同进气方式对辐射偏滤器等离子体行为的影响。基于这些研究结果，分别利用总辐射功率Pradtot和靶板打击点处的Te作为反馈信号开展了主动反馈控制辐射偏滤器实验，实现了等离子体的脱靶，非常有效地控制了靶板上的热流和粒子流。详细地了解了高功率、长脉冲运行条件下主动反馈控制辐射偏滤器等离子体运行模式，认识了偏滤器等离子体部分脱靶的基本物理机制，掌握降低来自中心等离子体的粒子流和热流的物理方法，实现并维持稳定等离子部分脱靶。.同时为了更好的研究Ne/Ar杂质注入下的辐射偏滤器等离子体背后的物理机制，利用大型边界等离子体模拟软件SOLPS，进行了与实验对比的验证性和预测性的模拟研究。通过实验和模拟结合的方法，论证了杂质注入条件下的辐射偏滤器等离子体运行模式对缓解偏滤器靶板表面热负荷、实现稳态长脉冲的重要意义，为EAST偏滤器的优化设计和工程改造提供支持。