托卡马克高约束模中杂质注入对等离子体约束和不稳定性的影响研究

In magnetically confined devices, how to sustain the steady state plasmas with high confinement performance and to reduce the high heat loads deposited on the first wall of the device for protecting the materials is the key issue for the recent fusion research. One of the envisaged solutions is the use of impurity seeding and this important method has been extensively explored by fusion community, recently. On the one hand, the heat loads can be reduced by a steady state edge radiation layer formed by the externally seeded impurity. On the other hand, the plasma pedestal confinement can be improved by the optimized impurity seeding through affecting the pedestal dynamics, and the impurity accumulation can be reduced, resulting in the improvement of the global plasma confinement. This project is going to perform experiments with various seeded impurity species in high confinement plasmas of the HL-2A or HL-2M tokamak, to investigate the effect of the impurities on the global plasma confinement, and to study the relationship between the plasma pedestal parameters and the plasma confinement under different experimental conditions with various impurities. The characteristics of plasma instabilities with the impurity seeding will be measured. The effect of the instabilities on plasma transport will be studied by either experiments or theoretical models and simulations. The project aims to understand the destabilized mechanism for the instabilities driven by different impurity ions and the physical mechanism of the plasma confinement change caused by the impurity seeding.

在磁约束聚变装置中，如何既保持稳态高约束等离子体又降低沉积在装置第一壁上的高热负荷保护材料是目前聚变研究的核心问题。近期聚变届探索的一种重要的可能解决方案为外部杂质注入，一方面，通过注入杂质形成稳态的边缘杂质辐射层来降低热负荷；另一方面，有效的杂质注入可通过影响台基区动力学实现等离子体台基区约束的优化，杂质聚芯的降低，进而实现等离子体总体约束的提高。本项目拟在HL-2A/HL-2M托卡马克高约束模放电等离子体中开展多类杂质注入实验，研究不同杂质对等离子体总体约束的影响，并研究不同杂质注入条件下等离子体台基结构参数与等离子体约束的关系。测量不同杂质条件下的等离子体不稳定性特征，通过实验与理论模拟相结合研究杂质驱动的不稳定性模对等离子体输运的影响，理解不同杂质离子对不稳定性模式的驱动机制，理解杂质注入改变等离子体约束的物理机制。

在磁约束聚变装置中，如何既保持稳态高约束等离子体又降低沉积在装置第一壁上的高热负荷保护材料是目前聚变研究的核心问题。近期聚变届探索的一种重要的可能解决方案为外部杂质注入，一方面，通过注入杂质形成稳态的边缘杂质辐射层来降低热负荷；另一方面，有效的杂质注入可通过影响台基区动力学实现等离子体台基区约束的优化，杂质聚芯的降低，进而实现等离子体总体约束的提高。本项目在HL-2A托卡马克高约束模放电等离子体中开展多类杂质注入实验，研究不同杂质对等离子体总体约束的影响，并研究不同杂质注入条件下等离子体台基结构参数与等离子体约束的关系。测量不同杂质条件下的等离子体不稳定性特征，通过实验与理论模拟相结合研究杂质驱动的不稳定性模对等离子体输运的影响，理解不同杂质离子对不稳定性模式的驱动机制，理解杂质注入改变等离子体约束的物理机制。. 依托于项目的资助，我们发展和完善了HL-2A上等离子体杂质注入系统，包括混杂超声分子束系统，开展了高约束模下的杂质注入相关研究，并取得了重要物理成果。成果表明合适的杂质参数可实现对边界等离子体参数及结构的调控，并且通过多种途径影响台基不稳定性及约束特性。项目组成员发表相关学术论文6篇，参与国际会议5次，其中包括1次亚太等离子体物理会议的大会特邀报告，1次亚洲物理学年会邀请报告以及一次亚太物理学会联合会等离子体分会邀请报告。获国防科学进步二等奖，胡济民教育科学奖，亚太等离子物理“杰出青年科学家奖”，以及四川省核学会优秀论文奖等奖项。该项目取得的研究成果对我们进一步深入认识杂质对等离子体输运、不稳定性以及约束特性打下了坚实的基础，为理解台基物理以及约束控制提供了重要的研究和技术手段。