锂对EAST实现高约束模等离子体的作用和边界局域模控制的实验研究

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伴有边界局域模(ELM)的高约束模式(H-模)是ITER的基本运行模式。H-模阈值功率国际定标率预测ITER前期运行实现H-模充满不确定性。伴随H-模产生的大型ELM引起的瞬态热负荷会损伤第一壁材料,且材料损伤产生的杂质会污染等离子体。研究H-模实现和ELM控制对EAST和未来装置具有非常重要的意义。  针对H-模实现和ELM控制问题,首先,对以下四项内容进行深入调研:等离子体边界中性粒子、同位素效应和有效电荷数等多种隐含量对H-模阈值功率的影响;氘弹丸调制ELM的实验效果和机制;几种无ELM运行模式;锂对聚变等离子体的影响。其次,在类ITER装置EAST托卡马克上优化发展了锂坩埚蒸发系统和成功构建了锂粉注入系统和锂弹丸注入系统。最后,在EAST上开展系列的锂化壁处理、实时锂粉注入和锂弹丸注入的实验研究,研究内容主要包括锂化壁处理技术对EAST实现H-模的影响,实时锂粉注入对EAST获得长脉冲ELM-free H-模的影响以及锂弹丸注入对ELM的调制效果。  锂化壁处理实验结果表明:锂化壁处理是EAST在加热功率临近H-模阈值功率时实现H-模的重要因素,锂化壁处理能够显著降低杂质辐射水平、边界再循环和H/(H+D),从而获得良好的第一壁条件,这是EAST获得H-模的先决条件。降低H/(H+D)能够一定程度降低H-模阈值功率;降低H/(H+D)能够显著改善ICRF氢少数离子加热效果,从而促进H-模等离子体的获得。锂化壁处理显著降低边界再循环,降低再循环是降低H-模阈值功率主要因素,为EAST实现长脉冲H模提供保障。  实时锂粉注入实验结果表明:实时锂粉注入促进可重复的新型稳态的H-模运行模式的实现——18秒ELM-free H-模等离子体,同时ELM引起的瞬态靶板热负荷消失,且无芯部辐射增强效应。一支边界准相干模伴随锂粉注入而增强,能够排出可观的粒子和热,很可能是抑制ELM的主要原因。  锂弹丸注入实验结果表明:等离子体进入H-模后,锂弹丸注入能够成功触发ELM,触发成功率100%。触发的ELM的频率可由弹丸注入频率控制,且触发的ELM的幅度小于自发的ELM。通过快速相机数据估算弹丸注入深度为2-5cm,在EAST典型台基宽度左右。  通过以上锂化壁处理实验研究,我们理解了锂化壁处理促进H-模实现的机制,并丰富了隐含量对H-模阈值功率影响的研究。本实验研究对ITER前期运行稳定进入H-模有参考意义。国际上ELM-free H-模等离子体运行时间仅与能量约束时间尺度相当,而我们通过实时锂粉注入实验获得ELM-free H-模等离子体的运行时间长达能量约束时间的450倍,这是一项重大突破,为未来装置高参数稳态运行提供一种新的途径。通过锂弹丸注入实验,我们首次实现了非燃料弹丸成功调制ELM,初步掌握锂弹丸控制ELM的技术,为未来装置控制ELM提供一种新的方法。
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