等离子体所托卡马克旋转磁扰动场对靶板热负荷控制研究取得进展

   等离子体所EAST团队孙有文研究员课题组在EAST上利用三维旋转磁扰动场控制偏滤器靶板热负荷研究方面取得了新进展,相关结果由博士研究生贾曼妮等人近期发表在聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion上[M. Jia et al, Control of three dimensional particle flux to divertor using rotating RMP in the EAST tokamak, Nuclear Fusion: 58, 046015 (2018)]。通过与美国通用原子能公司研究团队合作,课题组将这一结果在美国的DIII-D装置上进一步拓展到旋转加混合扰动模式的磁扰动场研究,相关结果于近期发表在Physics of Plasmas上,并被第59届美国物理学会等离子体会议作邀请报告。

   偏滤器靶板热负荷控制是未来磁约束聚变堆装置如ITER面临的一个巨大挑战。外加磁扰动场已被证实可以对边界局域模实现弱化或抑制,从而有效缓解边界局域模引起的瞬态强大热负荷对偏滤器靶板的冲击。与此同时,如何减弱三维场带来的环向非对称的局域靶板热流累积效应,仍然是这一研究领域的未解难题。

  课题组通过采用环向旋转的外加磁扰动场在EAST上开展边界局域模控制实验研究,发现磁扰动期间靶板上的粒子流分布出现环向非对称的分裂结构。这一结构随着旋转的磁扰动场沿靶板环向同步旋转,证实了这一控制手段的有效性。通过磁扰动谱型扫描,发现在保持抑制效果的情况下,还可以将分裂结构的局域粒子流分布沿靶板环向做较大范围移动。这些实验结果说明随时间变化的扰动场有利于粒子流和热流在整个靶板上的均化,避免靶板局部过热。结合MARS程序对等离子体响应的计算以及TOP2D程序对磁场拓扑结构的模拟,发现等离子体对外加扰动场起屏蔽或放大效应的响应。尽管这不会改变磁力线打击点分裂在靶板上的形状,但会影响热流和粒子流的强度,与实验观察得到的结果一致。在这一结果的基础上,课题组与美国DIII-D的研究团队合作,进一步在DIII-D装置上开展了低碰撞率下混合环向模数n旋转磁扰动场的控制实验。实验发现在利用静态扰动分量维持对边界局域模抑制的同时,利用旋转分量成功实现了对靶板上热流和粒子流的均化控制。这些研究结果对于将来磁约束聚变装置中利用三维磁扰动控制靶板瞬态热负荷的相关技术发展和物理理解具有重要的推动作用。

  以上研究成果得益于等离子体所长期广泛的国内外合作与交流,尤其是与美国通用原子能公司的深入合作。相关研究受到国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项等项目的资助,与美国DIII-D团队的合作还受到了美国能源部相关研究基金的支持。

  论文链接:[1] http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaaecc/meta 

            [2] https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5019777 

    

   EAST上n=2旋转磁扰动场实验,随磁扰动场的旋转,靶板上的粒子流分裂结构变化与磁力线打击点分裂的模拟结果一致

   

  DIII-D装置低碰撞率下混合环向模数n旋转磁扰动场控制实验中,靶板粒子流打击点分裂随n = 2磁扰动分量的旋转而移动

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中国科学院合肥物质科学研究院

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