EAST等离子体破裂缓解过程中辐射热沉积三维不对称性实验研究

Rapid plasma shutdown by massive impurity injection is an effective method to mitigate the serious damage caused by big plasma disruption. However, the radiation asymmetry during mitigated plasma disruption is observed in many tokamaks and the high local radiated heat load also is a possible danger for the first wall materials. Toroidally symmetric impurity injection cannot decrease the radiation asymmetry degree. MHD activity is one of important factors for radiation asymmetry, although the detailed physical processes are still unclear presently. The research subject in this report will be carried out on the EAST device. The fast bolometer diagnostic will be improved for better toroidal arrangement and capability. The radiation cooling disruption can be achieved by massive impurity injection and the character of radiation distribution will be studied. The dependence of radiation asymmetry on plasma parameters and the effect of MHD on radiation asymmetry will be investigated systematically, which can help understand further the mechanism of radiation asymmetry. Purpose of the research is try to find a proper way for uniform radiated heat deposition in the plasma discharge experiments using combination impurity injection methods which have been proposed for ITER device.

用大量杂质注入技术实现等离子体的快速关断是缓解大破裂危害的有效方法，但多数托卡马克装置上的实验发现辐射热的空间沉积是不均匀的，局域高的辐射热沉积也可能导致第一壁材料的损伤。采用环向对称的双位置同步注入方法，并不能缓解辐射的不对称性。磁流体力学不稳定性（MHD）被认为是影响辐射不对称的重要因素，但具体物理过程和机制仍不清楚。本项目将依托于全超导托卡马克EAST实验平台，对快响应辐射功率测量系统进行布局优化和性能升级。利用大量的外部杂质注入引起等离子体的辐射冷却破裂，分析在这个过程中辐射功率和辐射能量的空间分布特征;研究辐射不对称性因子与等离子体关键参数的依赖关系;进一步揭示MHD 对辐射分布的影响机制;探索在多种杂质注入技术联合注入情况下，实现辐射热沉积均匀分布的有效方案。

在托卡马克核聚变实验装置上，等离子体破裂的发生较难避免。在破裂时，等离子体的热能和磁能会在瞬间释放，容易损坏第一壁部件和材料。通过向等离子体中注入大量的杂质源，利用高的杂质辐射耗散掉等离子体的热能是一种有效的破裂缓解技术。本项目依托于全超导托卡马克EAST实验平台，开展了大量杂质注入破裂缓解实验研究。首先对快响应辐射量热AXUV诊断的布局进行优化，增加了一套环向位置的测量阵列，并成功投入实验运行。在此基础上开展了高压惰性气体He、Ar、Ne等不同杂质的注入实验，研究了等离子体在等破裂过程中的辐射功率损失和辐射功率空间分布特征，分析了辐射分布不对称性过程以及MHD在破裂过程中的行为和作用。杂质注入后的辐射冷却和热淬灭是重要的热能耗散阶段，高Z元素Ar在辐射热耗散方面效果最好，大约45%的等离子体热能可以通过Ar的辐射耗散掉，而He、Ne元素的辐射效率较低，辐射损失比例大约20%。随着杂质注入量的增加，辐射损失出现饱和现象。实验观察到辐射分布在环向和极向均存在不对称性，在靠近杂质注入口的位置容易出现局域的强辐射区。在辐射冷却阶段（pre-TQ），辐射分布不对称性严重，而随着热淬灭（TQ）的发生，辐射分布逐渐均匀。EAST目前的参数下，注入杂质的辐射热耗散有效降低了第一壁的温度，无明显的局域辐射热效应。在杂质注入后，普遍会出现n=1的MHD模。气量较小的情况下实验测量和模拟结果都发现了m=3，2，1模式的演化过程及其与辐射峰值的相关性。m=2磁岛的形成进而可以触发m=1磁岛，使等离子体芯部电子温度发生塌陷。MHD磁岛引起的热输运和粒子混合是使辐射增加的重要原因。但在杂质注入量较大时，触发热淬灭的时间短，反而导致辐射损失比例降低。项目在EAST上所获得的研究结果，为今后EAST以及未来聚变堆CFETR上发展主动破裂缓解控制技术提供重要的参考。