EAST上锂弹丸注入反馈控制I类边界局域模的实验研究

How to control the extremely high heat load caused by type-I edge localized mode, reducing the first wall erosion and impurity, has become one of the urgent key point in the achievement of high parameters, long pulse plasma in magnetic confinement fusion devices. The lithium granule injection has successfully mitigated the ELMs on EAST. However, the lithium injection is pre-programmed prior to plasma discharge. This means that the set parameters cannot change with the plasma variation. In this project, we will conduct ELM feedback control experiments in EAST long pules plasma, using a new developing ELM feedback control algorithm and the lithium granule injection actuator. We will develop a new real-time type-I ELM mitigation method. We will research the effect of type-I ELM mitigation, analyzing the heat loads variation on divertor targets and the physical mechanism of type-I ELM mitigation. This project will develop a new, simple real-time ELM feedback control method for magnetic confinement, high temperature, long pulse plasma. The research output of this project could provide useful reference on ELM control for EAST and future fusion devices.

磁约束聚变装置中高参数长脉冲等离子体稳态维持亟需解决的关键问题之一是如何高效控制伴随极高瞬态热负荷的I类边界局域模，减少其对第一壁材料的腐蚀及杂质产生。锂弹丸注入已经成功缓解ELM，但是锂弹丸注入都是在等离子体放电前预先程序设定好的，无法在放电过程中根据等离子体参数变化实时修改设定参数。本项目拟依托EAST超导托卡马克，设计新型ELM反馈控制算法，采用实时锂弹丸注入触发ELM，从而实现在长脉冲放电中反馈控制ELM的新方法，发展一种实时缓解I类ELM的新技术，同时研究该方法对I类ELM缓解效果，分析偏滤器靶板热流的变化，探索缓解I类ELM的物理机制。本项目将为磁约束高温长脉冲等离子体发展一种实时反馈控制ELM的简单稳定的新方法，可为解决EAST及未来聚变装置ELM控制这一关键问题提供重要参考。

边界局域模的周期性爆发会对第一壁带来巨大的瞬态高热负荷冲击，尤其是I类边界局域模爆发带来的热负荷更高，容易造成聚变装置第一壁材料出现损伤，特别是偏滤器部件损伤更严重。边界局域模的控制及相关物理研究是EAST和ITER亟待解决的重要科学问题。然而，目前常规的边界局域模控制都是在等离子体放电前预设的控制技术，无法在放电中根据等离子体参数的变化实时改变控制参数。通过本项目的支持，在EAST装置上建立了一套完整的锂弹丸注入反馈控制I类边界局域模系统。该系统中利用EAST辐射测量诊断数据实时计算边界局域模的频率作为输入端，随后PID计算其与设定的目标边界局域模频率差值后向锂弹丸注入系统发送工作信号，实现锂弹丸反馈注入。通过优化锂弹丸注入结构，实现了不同尺寸的锂弹丸快速切换及弹丸准线性注入，满足锂弹丸反馈注入控制边界局域模的基本硬件需求。在EAST上成功开展锂弹丸反馈注入控制I类边界局域模实验，成功将目标等离子体的边界局域模频率由30Hz提高到目标300Hz，边界局域模幅值大幅度降低。通过锂弹丸消融诊断系统，成功捕捉到锂弹丸在等离子体中的消融过程，锂弹丸进入等离子体之后，其最外层锂被电离后形成一条沿磁力线方向运动绿色辐射带，其内部升华成一团中性锂分子云保护其核心的锂弹丸，符合中性气体屏蔽消融模型。锂弹丸反馈注入期间，等离子体台基区的密度梯度大大降低，远小于自发的I类ELM爆发期间的台基密度梯度。同时，高频小尺度边界局域模爆发促进了等离子体芯部重金属杂质的排出，避免了重金属杂质的聚芯。EAST上开展的锂弹丸注入反馈控制I类边界局域模的实验研究，验证了边界局域模反馈控制的可行性，为解决未来聚变装置中高参数长脉冲放电条件下边界局域模实时反馈控制提供新的选择，具有重要意义和前瞻性。