EAST托卡马克多种杂质离子环向旋转速度及与H模关系的实验研究

The H-mode is at present the baseline scenario foreseen for the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). However due to the limited input power available on ITER, it is especially important to investigate and understand the influence effects on the L-mode to H-mode transition. It is widely accepted that the plasma rotation and its shear is important for the L-H transiton, but this has not been yet proven convincingly. The EAST tokamak has the ability to operate the long-pulse and steady-state high-performance plasma, as well as ITER-like magnetic configurations and high heating schemes, thus providing a unique platform to address some of the physics and engineering issues for ITER. EAST is now equipped with several spectroscopic diagnostics which are based on the principle of doppler effect, including the Charge eXchange Recombination Spectroscopy(CXRS), the X-ray imaging crystal Spectroscopy(XCS) and the Edge Rotation Diagnostic(ERD). These diagnostics together can provide the ability to comprehensively study the plasma rotation and its shear in this project. The project focuses on the experimental measurement of the toroidal rotation of multiple impurities for the different plasma parameters in various operational regimes, the study of the relationship with the H-mode and the investigation of the approaches to reduce power threshold. It will help to extrapolate the key factors for the access and sustainment of ITER H-mode through the implementation of this project.

高约束模（H模）是ITER设计的基本运行模式。然而其建成初期辅助加热功率有限，因此对影响低约束模向高约束模转换（L-H模转换）因素的研究具有重要的意义。国际主要托卡马克装置的实验研究表明，等离子体的旋转及速度剪切对高约束模的形成起了很大的作用，然而具体物理机制尚不明确。EAST具有稳态长脉冲H模运行能力，类ITER磁场位形以及高的辅助加热功率，非常适合于ITER相关物理研究。目前EAST装置已配备了多套多普勒光谱诊断系统，具备了全面研究旋转及其速度剪切的能力，为本项目的开展提供了坚实的硬件基础。本项目将着重结合这些诊断，开展各种不同放电条件下多种杂质离子环向旋转的实验研究，探索不同诊断系统测量数据间的自洽性，研究环向旋转在L-H模转换中的作用，统计环向旋转与模转换功率阈值的关系，探索降低模转换阈值功率的途径。通过本项目的实施将对有效的外推ITER H模获得和维持条件起到积极的作用。

高约束模（H模）是ITER设计的基本运行模式。ITER建成初期加热功率非常有限，如何能够顺利进入H 模放电成为实验研究的重点，环向旋转是影响H模功率阈值的可能因素之一，然而实验方向的研究较少。EAST具有稳态长脉冲H模运行能力，类ITER磁场位形及外部低动量注入，非常适合于ITER相关物理研究，EAST 的实验结果对外推ITER 装置上H 模的产生和维持具有重要的参考意义。该项目的实施主要依托电荷复合交换光谱诊断（CXRS）。该诊断是测量等离子体离子温度和旋转分布最可靠和有效的诊断，也是未来ITER 装置上测量燃烧等离子体聚变产物-氦灰的唯一诊断。基于本项目的开展，从多种杂质离子的离子温度和旋转速度的时空分布以及环向旋转对H 模功率阈值影响两方面开展研究。对EAST上可能的杂质离子的电荷交换复合谱线进行了测量，首次实现了对主流杂质离子CVI，LiIII以及NeX谱的同时测量，利用这三种杂质离子的发射谱线得到了各自的离子温度和旋转速度分布数据。对比发现NeX与CVI的离子温度和分布剖面基本一致，同时NeX谱线的发射效率更高，与惯用的碳杂质相比，更利于等离子体离子温度和旋转速度的测量，考虑到未来装置上碳杂质含量极低，氖可能可以成为替代杂质。在环向旋转与H模功率阈值研究方面，对项目实施期间的实验数据进行了统计，分析了NBI矩，边界环向旋转及其剪切等与L-H模转换功率阈值的关系，发现低边界环向旋转及低边界环向旋转梯度对实现H模放电的实现更为有利，这对于未来低动量注入的ITER、CFETR等装置极为有利。