托卡马克等离子体边缘杂质输运实验研究

杂质物理问题是磁约束聚变实验研究的重大课题。等离子体边缘以及H模台基区的杂质输运研究对于提高主等离子体的约束品质、实现对杂质通量的有效控制以及优化边缘磁场位形设计是至关重要的。在HL-2A装置上，本项目将利用真空紫外和极紫外光谱诊断系统测量得到的边缘杂质屏蔽效果参量研究各种实验条件下刮削层（SOL）和偏滤器区的杂质输运特性。通过运行边缘多流体二维输运程序B2-EIRENE模拟分析边缘输运中平行磁场方向输运的主导机制，以及垂直磁场方向输运对SOL区杂质输运的影响。通过对比HL-2A上B2-EIRENE和螺旋装置LHD上三维输运程序EMC3-EIRENE的模拟结果，开展等离子体边缘磁场位形结构对杂质屏蔽效果的研究。利用超声分子束和激光吹气，探索H模放电条件下台基区杂质输运系数的测量方法，开展边缘杂质输运与台基区各种等离子体宏观参数，特别是与温度和密度梯度关系的研究，探索边缘杂质输运机制。

等离子体边缘（包括刮削层和偏滤器区）是杂质进入等离子体芯部的重要屏障。实现对边缘杂质的有效控制是解决芯部杂质积聚和缓解边缘热负荷的重要途径。托卡马克等离子体边缘杂质输运研究是聚变物理实验研究的热点课题。本项目基于HL-2A装置特殊的封闭偏滤器位形，通过发展真空紫外和极紫外光谱诊断系统进行碳杂质各种电离态辐射分布测量，应用三维边缘输运程序EMC3-EIRENE模拟等离子体边缘平行流分布，研究了等离子体边缘区平行磁场方向作用力的主导和分布，研究了边缘区对不同类型杂质源及不同分布情况的屏蔽机制，不同的杂质源溅射方式对屏蔽效果的影响，研究了对杂质屏蔽起作用的边缘等离子体参数窗口。通过EMC3-EIRENE模拟和结合实验数据比较分析了托卡马克装置HL-2A和螺旋装置LHD边缘杂质的输运特征。在HL-2A装置上，对偏滤器杂质源具有强烈的屏蔽效果，但对第一壁杂质源无屏蔽效果。在LHD装置上，无论是偏滤器杂质源还是第一壁边缘随机磁场结构都会具有强的屏蔽效果。需要说明的是，对同为偏滤器杂质源时，HL-2A装置边缘屏蔽的效果更好。不同的边缘杂质输运机制主要是由边缘磁场的拓扑结构差别和垂直方向输运对于平行压强守恒和能量输运的作用不同引起。针对最外磁面以内的边缘区（包括台基区）杂质输运主要是垂直磁力线方向的扩散和对流。在本项目中，发展了稳态条件下获得边缘杂质输运系数的新方法和进行了超声分子束注入得到边缘杂质输运系数的实验。两种方法都能够获得杂质的输运系数并且得到基本一致实验结论。