共振磁擾動抑制邊界局域模及偏濾器熱負荷集成控制研究獲進展

　　【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所EAST大科學工程團隊研究員孫有文帶領的三維物理課題組，關于ITER相關運行參數下的共振磁擾動(RMP)抑制邊界局域模(ELM)的研究取得關鍵進展。課題組與ITER科學部負責人Alberto Loarte合作，在ELM抑制與偏濾器熱負荷集成控制方面取得了新的進展。
 

　　邊界局域模及偏濾器熱負荷的有效控制是當前磁約束聚變研究的重要課題，也是ITER亟待解決的重要科學問題之一。邊界局域模爆發瞬間大量的熱流和粒子流沉積在偏濾器靶板上，導致靶板材料的嚴重腐蝕。通過外加RMP來抑制ELM的方法已在美國DIII-D、我國EAST、韓國KSTAR及德國ASDEX-Upgrade等裝置上得到實驗驗證，并被ITER采納。然而，在ITER高增益參數下，使用高環向模數n=4的RMP抑制ELM的可靠性尚未裝置在實驗中進行驗證；此外，RMP引起托卡馬克中三維磁拓撲改變，在維持ELM抑制的同時能否結合如脫靶和輻射偏濾器等手段進行靶板熱負荷的集成控制，也缺少實驗數據支持。
 

　　EAST裝置具有類似ITER的低動量注入、低q95以及鎢偏濾器的放電優勢，共振磁擾動線圈系統能夠形成n=1-4的共振磁擾動。基于多年相關實驗的經驗積累，課題組在國際上率先為ITER演示了n=4的RMP能夠有效抑制ELM，明確了實現抑制的密度區間和q95窗口，并結合磁流體模擬程序MARS-F揭示該窗口由三維磁拓撲邊界隨機化峰值決定。相關研究成果發表在Nuclear Fusion(Y. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 106037)上。
 

　　課題組剖析了等離子體旋轉對三維場的屏蔽效應，從等離子體響應角度加深了對ELM抑制的物理機理理解。研究利用MARS-F程序模擬發現，在E×B旋轉或電子垂直旋轉零點在電阻奇異層內時，等離子體產生類剝離模響應；而當零點在奇異層外時，產生類扭曲模響應。EAST裝置放電等離子體有理面上的旋轉范圍在±10krad/s內時有利于產生較強的等離子體響應。模擬結合實驗驗證了磁擾動在臺基區頂部旋轉接近零即可實現臺基區頂部的擾動場滲透。相關研究成果發表在Physics of Plasmas(P. Xie et al 2021 Phys. Plasmas 28 092511)上。
 

　　在上述ELM抑制的參數背景下，課題組與Alberto Loarte合作，進一步開展了高再循環以及雜質注入等偏濾器熱負荷集成控制實驗。實驗驗證了在充氣或彈丸注入形成的高再循環，以及在雜質注入形成的輻射偏濾器條件下，RMP能夠維持ELM抑制并有效降低偏濾器靶板穩態熱負荷，有望參與偏濾器熱負荷的集成控制。此外，結合等離子體響應模擬與三維磁拓撲模擬的結果表明，n=4條件下連接偏濾器遠端打擊點分裂的磁力線的連接深度更淺，更有利于偏濾器靶板穩態熱負荷的降低。相關研究成果發表在Nuclear Fusion(M. Jia et al 2021 Nucl. Fusion 61 106023)上。
 

　　上述研究工作得益于EAST大科學裝置團隊成員間的團結協作，也是等離子體所與國際同行長期、廣泛開展合作交流的成果，包括ITER組織、美國通用原子能公司和德國于利希研究中心等。該研究加深了對ELM控制物理機理的理解，對于將來ITER高增益放電參數下應用高環向模數RMP進行ELM抑制以及偏濾器熱負荷控制具有重要的參考價值。研究工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及國家磁約束核聚變能發展研究專項等的資助。