EAST高密度實(shí)驗(yàn)運(yùn)行研究.pdf

1、等離子體密度是聚變等離子體的重要參數(shù)之一。高密度運(yùn)行有利于達(dá)到點(diǎn)火條件并且也是聚變堆的基本要求。ITER將以密度高達(dá)～0.85nGW的H-mode作為基本的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)高密度同時(shí)保持良好約束的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行對(duì)于ITER非常關(guān)鍵。在托卡馬克實(shí)驗(yàn)中普遍觀察到過(guò)高的密度會(huì)導(dǎo)致等離子體約束的退化或發(fā)生破裂，即密度極限，其物理機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。EAST作為位型及運(yùn)行模式最接近ITER的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置之一，進(jìn)行高密度及密度極限物理的

2、研究對(duì)于ITER具有重要意義。
　　托卡馬克運(yùn)行時(shí)等離子體不斷發(fā)生著能量和粒子的損失，為了維持等離子體的密度，需要通過(guò)各種加料手段向等離子體提供工作氣體。EAST裝置發(fā)展了3種加料方法:普通充氣、彈丸注入、超聲分子束(SupersonicMolecularBeamInjection，SMBI)。SMBI的原理是亞聲速高壓氣體通過(guò)加裝Laval噴嘴的電磁閥自由膨脹后注入真空區(qū)，形成超聲分子束流。SMBI系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、較高的加料效

3、率和極短的響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)臺(tái)面測(cè)試和加料實(shí)驗(yàn)得出SMBI的速度在400～1200m/s之間，延遲時(shí)間為2～6ms，歐姆放電下粒子沉積位置在最外磁面內(nèi)3～8cm處。其加料效率在15～30％之間，較普通充氣提高了～2倍，加料效率隨著密度的增加而降低。SMBI作為密度反饋手段能夠在低密度和高密度下均能實(shí)現(xiàn)良好的密度反饋效果（誤差≤3％），與普通充氣反饋相比，其充氣量、壁滯留、再循環(huán)系數(shù)均有明顯下降。利用SMBI成功進(jìn)行了邊界局域模(Edg

4、eLocalizedMode，ELM)緩解實(shí)驗(yàn)，ELM幅度的減小程度隨著SMBI脈寬增大而增加。并且在ELM-freeH-mode期間使用SMBI脈沖成功觸發(fā)了ELM。
　　EAST在強(qiáng)（或溫和）充氣條件下就可能發(fā)生密度極限放電。對(duì)EAST在L-mode和H-mode條件下的密度極限現(xiàn)象進(jìn)行了分析。在L-mode下，EAST上密度極限發(fā)生的過(guò)程通常如下:當(dāng)偏濾器靶板溫度降低到到一定程度，等離子體開(kāi)始發(fā)生脫靶;而在這一時(shí)間附近，一個(gè)

5、高輻射區(qū)域，通常表示為‘MARFE’(MultifacetedAsymmetricRadiationFromtheEdge)，開(kāi)始發(fā)展并從偏濾器向X點(diǎn)移動(dòng);如果等離子體密度繼續(xù)增長(zhǎng)，MARFE則可能進(jìn)入主等離子體，引起電流剖面收縮和MHD（magnetohydrodynamic）不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致等離子體發(fā)生破裂。MARFE不一定出現(xiàn)在密度極限破裂之前，但是邊緣等離子體冷卻的增強(qiáng)仍然是導(dǎo)致密度極限破裂的主要因素。邊緣等離子體冷卻現(xiàn)

6、象可能是由于雜質(zhì)粒子或中性粒子增強(qiáng)引起的。通過(guò)優(yōu)化壁處理和輔助加熱功率升級(jí)，顯著地拓展EAST密度運(yùn)行區(qū)。
　　在中性束注入（NeutralBeamInjection，NBI）H-mode密度極限實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示重雜質(zhì)（主要是Fe、Cu）在H-mode后期逐漸聚芯，導(dǎo)致輻射增強(qiáng)和芯部溫度下降觸發(fā)了H→L轉(zhuǎn)換。從密度剖面的化說(shuō)明在臺(tái)基(pedestal)區(qū)存在著一個(gè)臨界極限，正是這個(gè)極限導(dǎo)致邊界密度梯度保持了一致性，也阻礙了密度

7、的進(jìn)一步上漲。在低雜波(LowerHybridWave，LHW)H-mode密度極限實(shí)驗(yàn)中，type-ⅢELM的頻率隨著密度的增長(zhǎng)而增加，同時(shí)幅度減小。并且H-mode期間存在著一個(gè)頻率為30～40kHz的邊界相干模(Edge-CoherentMode，ECM)，其在SMBI加料進(jìn)行密度爬升時(shí)逐漸消失。整個(gè)H-mode期間沒(méi)有重雜質(zhì)的積累，輻射剖面保持平坦。其密度剖面與NBIH-mode相比，pedestal區(qū)的密度梯度和高度均有下降，

8、而在分界線附近的密度則稍高。LHW在高密度下與等離子耦合良好，并且其反射系數(shù)隨著密度的上升而下降。
　　通過(guò)統(tǒng)計(jì)2014和15年高密度放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EAST上L-mode和歐姆放電下的密度極限與Greenwald定標(biāo)比較一致，而H-mode密度極限大概為0.8～0.9nGW。在較低的加熱功率下密度極限與加熱功率有一定的正相關(guān)，但隨著功率增大兩者關(guān)系變得不明顯。密度極限與邊緣等離子體冷卻有著很大的關(guān)系，而這與雜質(zhì)和再循環(huán)是非常相關(guān)的

9、。通過(guò)對(duì)Zeff和雜質(zhì)(OⅡ、W、CⅢ)譜線強(qiáng)度與ne/nGW的關(guān)系的分析印證了這一點(diǎn)，即通常較高的ne/nGW是在較低的雜質(zhì)水平下取得的。分析Dα強(qiáng)度與ne/nGW的關(guān)系也可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高密度放電是在較低的再循環(huán)水平下取得的。并且發(fā)現(xiàn)大部分高密度放電是通過(guò)SMBI來(lái)實(shí)現(xiàn)的，說(shuō)明SMBI對(duì)于高密度運(yùn)行是一個(gè)更好的加料手段。
　　通過(guò)對(duì)各種條件的分析對(duì)比，最為重要的是對(duì)雜質(zhì)和再循環(huán)控制進(jìn)行有效控制，在ITER金屬鎢偏濾器上單零位型下