托卡马克边缘区惰性气体杂质电荷转移过程的理论研究

Towards high performance and long pulse tokamak plasma, the divertor radiation cooling is much more important on reducing the increasingly severe erosion of plasma facing components.Inert gas with medium/high Z injection (eg. Ne, Ar, Kr) is one of the most effective way to enhance the radiation loss power and reduce the edge plasma temperature. However, so far, the study for the charge transfer processes of ion with medium/high Z atoms is scarce and most of them are focused on relatively high collisional energy region above 1 keV/amu. The complicated multi-center correlation interaction between multi-charged ions and neutrals bring a big challenge to the calculation of charge exchange occuring on tokamak edge plasma with the typical temperature 0.1-500 eV. For closely combining with the fusion research requirement, this project will carry out theoretical study of collisional processes between ion and medium/high Z atoms at low temperature region using the quantum-mechanical molecular orbit close coupling（MOCC）method, including single- double-electron transfer，transfer excitation and direct excitation and their spontaneous radiative spectrums. This project will supply the database to these area, and also it is very helpful to understand the influence of inert gas impurity seeding on edge plasma, including radiation cooling, the formation of detached plasma, concentration of impurities， neutralization of fusion product helium ash and so on, based on the study of the multi-body collision dynamics and multi-electron correlation effect.

随着托卡马克高参数、长脉冲的运行，其第一壁材料的腐蚀问题日渐突出，边界和偏滤器区的辐射冷却至关重要。目前最有效的方法之一是注入中、高Z的惰性气体（如：Ne、Ar、Kr等）杂质以增强边界的辐射能力从而有效降低边界的温度。而目前国际上对于离子与中、高Z原子的电荷转移过程的研究工作较少且多集中在中、高能区。对于tokamak边界特征温度为0.1-500 eV的低能区，会涉及复杂的多中心电子关联问题。本项目将紧密结合当前实际需求，选取与tokamak边界和偏滤器辐射冷却密切相关的惰性气体体系，开展低能区的离子与中、高Z原子的碰撞过程的研究，包括单、双电子转移、转移激发和直接激发及其发射谱。本项目的开展不仅能填补这方面数据的空缺，同时在深入认识离子-原子碰撞涉及的多体碰撞动力学和电子关联效应基础上有助于我们深入理解惰性气体杂质对边界等离子体的影响（包括辐射冷却、脱靶的形成、杂质分布、氦灰中性化等）。

在本项目的支持下，我们采用分子轨道耦合的方法（MOCC）计算了对于tokamak 边界比较重要的惰性气体杂质与主离子（如H+与Ar及Ar+与H等碰撞体系）的碰撞电荷转移及激发过程。我们的研究发现计算结果发现，对于H+-Ar碰撞过程，当碰撞能量低于100eV时，电荷转移截面迅速减小，此外，该碰撞体系的直接激发截面比电荷转移截面小1-2个量级，即电荷转移过程占主导。另外，Ar原子的电子主要以转移到H原子基态为主，这主要是因为这个通道与HAr+分子基态相邻，它们之间存在较强的相互作用。相比之下，其他态远离初态，因此与初态之间的相互作用较小，故而电子转移到H原子激发态的截面很小，基本可以忽略。由此可见，电荷交换过程将会为tokamk边界提供一些基态的中性粒子。另外比较了H+与Ar及Ar+与H碰撞体系的电荷转换和激发截面。而且我们发现对于该碰撞过程的实验测量结果主要集中在1keV以上，对于碰撞能量低于1keV的情况下实验数据非常缺乏。同时我们将大型边界数值模拟程序SOLPS程序与实验及另一个大型的三维边界数值模拟程序EMC3-EIRENE的结果进行比较，验证程序模拟的可靠性；另外我们还利用大型边界数值模拟程序研究了不同惰性气体杂质气体（N，Ne和Ar）注入情况下边界杂质辐射分布及边缘等离子体辐射冷却进行了模拟和分析。模拟结果显示，N和Ar杂质都是很好的偏滤器辐射剂，同时Ar还能明显增强芯部的辐射。而Ne的辐射主要集中X点和最外层分界面附近。且随着Ne和Ar的注入进入到刮削层（SOL）的功率会迅速降低，这对于加热功率在低约束模式向高约束模式转换（L-H转换）能量阈值的附近的放电而言是不利的，会降低等离子体约束性能。而N杂质则主要在偏滤器辐射功率，不会显著降低进入SOL区的功率。最后我们还研究了EAST装置上钨偏滤器下的等离子体的脱靶情况。