EAST高密度實驗運行研究.pdf

1、等離子體密度是聚變等離子體的重要參數之一。高密度運行有利于達到點火條件并且也是聚變堆的基本要求。ITER將以密度高達～0.85nGW的H-mode作為基本的運行模式，實現高密度同時保持良好約束的長脈沖運行對于ITER非常關鍵。在托卡馬克實驗中普遍觀察到過高的密度會導致等離子體約束的退化或發(fā)生破裂，即密度極限，其物理機制還需要進一步研究。EAST作為位型及運行模式最接近ITER的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置之一，進行高密度及密度極限物理的

2、研究對于ITER具有重要意義。
　　托卡馬克運行時等離子體不斷發(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系統具有系統簡單、較高的加料效

3、率和極短的響應時間等優(yōu)點。通過臺面測試和加料實驗得出SMBI的速度在400～1200m/s之間，延遲時間為2～6ms，歐姆放電下粒子沉積位置在最外磁面內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現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)系數均有明顯下降。利用SMBI成功進行了邊界局域模(Edg

4、eLocalizedMode，ELM)緩解實驗，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（或溫和）充氣條件下就可能發(fā)生密度極限放電。對EAST在L-mode和H-mode條件下的密度極限現象進行了分析。在L-mode下，EAST上密度極限發(fā)生的過程通常如下:當偏濾器靶板溫度降低到到一定程度，等離子體開始發(fā)生脫靶;而在這一時間附近，一個

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

6、象可能是由于雜質粒子或中性粒子增強引起的。通過優(yōu)化壁處理和輔助加熱功率升級，顯著地拓展EAST密度運行區(qū)。
　　在中性束注入（NeutralBeamInjection，NBI）H-mode密度極限實驗中，實驗數據顯示重雜質（主要是Fe、Cu）在H-mode后期逐漸聚芯，導致輻射增強和芯部溫度下降觸發(fā)了H→L轉換。從密度剖面的化說明在臺基(pedestal)區(qū)存在著一個臨界極限，正是這個極限導致邊界密度梯度保持了一致性，也阻礙了密度

7、的進一步上漲。在低雜波(LowerHybridWave，LHW)H-mode密度極限實驗中，type-ⅢELM的頻率隨著密度的增長而增加，同時幅度減小。并且H-mode期間存在著一個頻率為30～40kHz的邊界相干模(Edge-CoherentMode，ECM)，其在SMBI加料進行密度爬升時逐漸消失。整個H-mode期間沒有重雜質的積累，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，并且其反射系數隨著密度的上升而下降。
　　通過統計2014和15年高密度放電實驗，發(fā)現EAST上L-mode和歐姆放電下的密度極限與Greenwald定標比較一致，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，但隨著功率增大兩者關系變得不明顯。密度極限與邊緣等離子體冷卻有著很大的關系，而這與雜質和再循環(huán)是非常相關的

9、。通過對Zeff和雜質(OⅡ、W、CⅢ)譜線強度與ne/nGW的關系的分析印證了這一點，即通常較高的ne/nGW是在較低的雜質水平下取得的。分析Dα強度與ne/nGW的關系也可以發(fā)現大多數高密度放電是在較低的再循環(huán)水平下取得的。并且發(fā)現大部分高密度放電是通過SMBI來實現的，說明SMBI對于高密度運行是一個更好的加料手段。
　　通過對各種條件的分析對比，最為重要的是對雜質和再循環(huán)控制進行有效控制，在ITER金屬鎢偏濾器上單零位型下