等离子体所在边界局域模抑制研究中取得新进展
时间 : 2021-06-11     

伴随高约束模式等离子体,大幅度ELM准周期性的爆发会在百微秒时间尺度内释放出装置第一壁材料不可承受的瞬态高热负荷,因此如何抑制大尺度ELM爆发是未来聚变堆实现高性能稳态运行的严峻挑战之一。等离子体所胡建生研究员课题组在国际上率先采用实时锂注入抑制ELM的方法,实现准稳态、完全抑制ELM的高约束模式等离子体(J.S. Hu, PRL 114, 055001 (2015))。基于此项发现,课题组与美国普林斯顿大学等离子体物理实验室合作,在东方超环装置(EAST)上开展大量实验研究,系统性验证了低Z材料实时注入抑制ELM的可行性,有望解决未来聚变装置的瞬态高热负荷问题。 

近期,中美科研人员合作在EAST趋向ITER运行参数的高约束模等离子体中采用高频(2kHz)锂弹丸(直径~0.7mm)注入,首次成功将I类ELM的幅度降低了约70%,有效降低了ELM的瞬态高热负荷。通过实验发现,锂弹丸通过加强边界辐射和再循环控制显著降低了台基压力和自举电流,同时增加了芯部等离子体压力,改善了芯部等离子体约束性能。并且发现锂弹丸调制后的台基区压力剖面对中等环向模数的剥离气球模有致稳作用,相关论文发表于核聚变顶级期刊Nuclear Fusion 上 (Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 066022)。此外,科研人员首次采用普适于现有聚变装置的壁处理材料——硼(Z=5),实时注入到EAST高约束模等离子体中,成功实现了ELM完全抑制,并改善了等离子体约束品质。研究发现伴随硼粉注入,一支低频(基频2-5kHz)边界相干谐频模被加强,提供了新的粒子输运通道,避免了杂质聚芯,保证了等离子体稳态运行,同时发现该运行模式具有较宽的等离子体运行窗口,不依赖于加热模式和功率、等离子体密度,燃料种类,纵场方向,安全因子。特别值得注意的是,粒子平衡法分析表明硼注入不会增加燃料在第一壁上长期滞留,可以解决锂注入带来的燃料滞留问题,有利于提高未来氘氚运行聚变装置的经济性和安全性,相关论文以快报形式发表在Nuclear Fusion 上(Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 014002)。相关实验表明与高温等离子体兼容性良好的低Z材料注入,不仅具有实时壁处理的效果,并且可以用于ELM控制,可为EAST长脉冲稳态运行和未来聚变装置的ELM抑制这一极端重要问题提供了可行解决方案。 

相关研究成果得到了EAST实验团队大力支持,也得益于等离子体所及美国普林斯顿大学等离子体物理实验室、霍普金斯大学等相关科研人员的紧密合作,并受到国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年项目及中科院合肥大科学中心高端用户培育基金等项目的资助。 

文章链接: 
  https://doi.org/10.1088/1741-4326/abc763  
  https://doi.org/10.1088/1741-4326/abf855  
  https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.055001

  
  图1:高频锂弹丸注入前后ELM幅度表征

 
图2:锂注入前和ELM 缓解后的台基剥离气球摸不稳定性分析结果对比