近期,等離子體所在集成模擬EAST芯部重雜質(zhì)的輸運(yùn)及其對(duì)等離子體性能影響的研究中取得重要進(jìn)展,相關(guān)成果發(fā)表在Nuclear Fusion期刊上。
帶有內(nèi)部輸運(yùn)壘的高性能H-mode放電具有很多優(yōu)良特性,使其成為未來(lái)托卡馬克聚變堆可選擇的運(yùn)行模式之一。而內(nèi)部輸運(yùn)壘的產(chǎn)生機(jī)制因取決于許多因素導(dǎo)致較為復(fù)雜。在EAST混雜運(yùn)行模式實(shí)驗(yàn)中(X. Gao et al 2020 Nucl. Fusion 60 102001),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在溫度和密度通道中同時(shí)形成的內(nèi)部輸運(yùn)壘,然而形成這種多通道的內(nèi)部輸運(yùn)壘的物理機(jī)制還沒(méi)有被完全理解【1】,而多通道集成預(yù)測(cè)模擬則有助于更好地理解形成內(nèi)部輸運(yùn)壘的關(guān)鍵物理。最近,等離子體所博士生石生宇在多通道集成預(yù)測(cè)模擬帶有溫度、密度和環(huán)向旋轉(zhuǎn)三個(gè)通道的內(nèi)部輸運(yùn)壘的放電中取得新的研究進(jìn)展【2】。相關(guān)成果發(fā)表在Nuclear Fusion期刊上(Shengyu Shi et al 2021 Nucl. Fusion 61 126055)。
重金屬材料,如鉬和鎢,由于具有低濺射率、低氚滯留率和高熔點(diǎn)等優(yōu)良性能,可用作熱核聚變反應(yīng)裝置的面向等離子體元件。然而,由于在熱核聚變反應(yīng)溫度下,非完全電離的鎢和其他重/高電荷(Z)雜質(zhì)粒子的線輻射率很大,它們?cè)诘入x子體芯部的累積可能會(huì)顯著冷卻等離子體,惡化等離子體性能,導(dǎo)致高約束模式(H-mode)向低約束模式(L-mode)轉(zhuǎn)變,甚至進(jìn)一步崩塌。因此,在熱核聚變等離子體中,理解芯部重/高Z雜質(zhì)的輸運(yùn)、研究它們對(duì)等離子體性能的影響以及控制它們?cè)诘入x子芯部的積累對(duì)于聚變裝置穩(wěn)定運(yùn)行是非常重要的。為了確定EAST高約束模式中等離子體芯部重雜質(zhì)鎢的輸運(yùn)的主要機(jī)理,研究團(tuán)隊(duì)首次系統(tǒng)地分析并模擬了帶有類似ITER偏濾器位形的EAST混合運(yùn)行模式(hybrid mode scenario)和完全非感應(yīng)運(yùn)行模式(fully non-inductive mode scenario)的芯部鎢輸運(yùn)的行為。在EAST混合運(yùn)行模式放電中,經(jīng)常觀察到鎢的累積,同時(shí)結(jié)合背景等離子體參數(shù)的演化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)背景等離子體芯部的環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度和密度峰值較大時(shí),特別容易發(fā)生鎢的積累。通過(guò)新經(jīng)典輸運(yùn)程序NEO和湍流輸運(yùn)程序TGLF模擬鎢芯部輸運(yùn)再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果,并確定了背景等離子體的高密度峰值和大的中心區(qū)域的環(huán)形旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致的鎢的新經(jīng)典向內(nèi)對(duì)流速度是鎢積累的主要原因之一。此外,還分析了芯部重雜質(zhì)對(duì)EAST等離子性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)重雜質(zhì)在EAST芯部積累到一定程度時(shí),可能會(huì)引起撕裂模,導(dǎo)致等離子體進(jìn)一步的崩塌【3】。然而,在EAST完全非感應(yīng)運(yùn)行模式放電中,鎢通??梢缘玫胶芎玫目刂?。通過(guò)分析背景等離子體參數(shù)和模擬鎢的輸運(yùn),發(fā)現(xiàn)與混合運(yùn)行模式相反,在這種完全非感應(yīng)運(yùn)行模式條件下,電子的溫度以及其峰值通常較高,而背景等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)和密度峰值較小。模擬的鎢湍流擴(kuò)散系數(shù)足夠大,足以抵消總的湍流和新經(jīng)典對(duì)流速度,因此零粒子通量的鎢徑向密度分布不會(huì)達(dá)到很高的峰值【4】。此外,研究團(tuán)隊(duì)還提供了兩種方法來(lái)控制EAST芯部鎢積累,即通過(guò)使用反向中性束注入來(lái)減小環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度以及在軸的電子回旋共振加熱來(lái)提高電子溫度。并分析了這兩種方法在EAST上控制重雜質(zhì)鎢積累的物理機(jī)制。上述工作驗(yàn)證了之前CFETR雜質(zhì)輸運(yùn)模型的可靠性【5】,對(duì)于將來(lái)ITER的輸運(yùn)研究以及重雜質(zhì)控制有重要的參考意義【6】。
該成果是等離子體所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及國(guó)際同行長(zhǎng)期廣泛開(kāi)展合作交流的研究成果,受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
參考文獻(xiàn):
【1】X. Gao et al 2020 Nucl. Fusion 60 102001
【2】Shengyu Shi et al 2021 Nucl. Fusion 61 126055
【3】Shengyu Shi et al 2022 Nucl. Fusion https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac3e3b
【4】Shengyu Shi et al 2022 Nucl. Fusion https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac3e3c
【5】Shengyu Shi et al 2018 Nucl. Fusion 58 126020
【6】Shengyu Shi et al 2022 submitted to Nucl. Fusion
