EAST雪花偏滤器位形设计与实验的研究

In the divertor configuration, the ionizing impurities and heat flux flow along the magnetic field line in the scrape-off-layer (SOL) and deposit at the divertor target. The high power flux impinging on the relatively small strike region causes overheating of the divertor PFCs (Plasma Facing Components) which may undergo destructive erosion. Especially, in the case of the high confinement (H-mode) regime, edge localized mode (ELM) causes periodic ejections of large fractions of the plasma energy through the SOL, and maybe results in more risky situation. In 2012, EAST realizes 32 second H-mode discharge and 411 second long pulse experiment. Higher auxiliary heating power will load on EAST this year, and EAST plasma will operate with higher plasma power and longer pulse. Heat flux management and control is one of primary goals of EAST research. The snowflake (SF) divertor configuration has recently been proposed as a new effective solution to reduce divertor heat loads and to suppress the 'bursty' component of the heat flux by changing the divertor's poloidal magnetic field topology. In this project, we will realize the steady snowflake divertor experiment to reduce the divertor heat loads on EAST, and manage heat flux by the divertor's poloidal magnetic field topology control. The job will provide one way to protect the divertor target in EAST operation. It also gives reference for snowflake divertor discharge design and experiment in ITER and CFETR.

偏滤器等离子体的大量能量沿着刮削层内磁面沉积在狭小的偏滤器打击区域，会导致偏滤器靶板热负荷过大而损毁。特别是在高约束模式下，边界局域模的周期性大爆发，导致大量能量迅速沉积，危害更加严重。2012年EAST等离子体实现32秒高约束放电和411秒的长脉冲实验。随着辅助加热功率的提高，等离子体还将运行在更高的参数和更长的时间，这就提高了对热负荷控制的要求。雪花偏滤器位形通过改变偏滤器附近极向磁通分布，减少偏滤器靶板热负荷，抑制热流的大规模瞬间爆发，是保护偏滤器靶板的一种重要的新手段。本项目将在EAST上实现稳定的雪花偏滤器位形放电，降低EAST偏滤器靶板上的热负荷；通过对雪花偏滤器位形的控制，实现对偏滤器靶板上热负荷的位置和大小的调节，为EAST高参数和长脉冲运行下的偏滤器靶板提供一道安全保障，也为ITER和CFETR开展雪花偏滤器位形设计和实验提供参考。

偏滤器等离子体的大量能量沿着刮削层内磁面沉积在狭小的偏滤器打击区域，会导致偏滤器靶板热负荷过大而损毁。特别是在高约束模式下，边界局域模的周期性大爆发，导致大量能量迅速沉积，危害更加严重。随着辅助加热功率的提高，等离子体还将运行在更高的参数和更长的时间，这就提高了对热负荷控制的要求。雪花偏滤器位形通过改变偏滤器附近极向磁通分布，减少偏滤器靶板热负荷，抑制热流的大规模瞬间爆发，是保护偏滤器靶板的一种重要的新手段。本项目针对EAST装置结构的特点，数值模拟与实验检验相结合，开展EAST雪花偏滤器位形设计与实验研究。数值模拟方面，我们移植了托卡马克等离子体放电模拟程序TSC程序以及TRANSP，Onetwo到等离子体物理研究所‘神马’服务器上，构建模拟计算平台。在此平台上，一方面，开展EAST的雪花偏滤器位形的静态平衡的设计工作，设计了偏滤器等离子体位形设计模块，可以方便灵活设计EAST雪花偏滤器等离子体位形的平衡，为实验提供合适的目标平衡；另一方面，针对EAST的极向场线圈的布局特点，研究控制变量与PF线圈电流的解耦方法，设计多变量MIMO控制的方法，并通过模拟计算予以验证。在此基础上，通过平台计算，设计合适的EAST雪花偏滤器等离子体放电过程，成功指导EAST实验。在项目开展过程中，我们发现雪花偏滤器的垂直增长率较大的问题，因此开展了EAST垂直位移过程与反馈控制的模拟，可用于评估内部线圈的控制能力。此外，我们也构建和检验了TSC+Onetwo的计算模式，可以用于EAST辅助加热下雪花偏滤器等离子体放电过程的分析与设计。上述的工作也为ITER和CFETR开展雪花偏滤器位形设计提供参考。