HL-2M先进偏滤器物理研究

Divertor as one of key components of fusion reactor to handle the exhaust power with heat flux under acceptable level, shielding impurity into core plasma region and pump the helium out, which is one of the most challenge issues in fusion reactor design. In order to reduce the heat flux, some advanced concept have been proposed. Divertor study relay on the device parameters, such as heating power, configuration, core plasma parameters and so on. The advanced divertor study is just being carried out in China, some advanced divertor configurations are expected to be achieved in HL-2M tokamak device. So based on HL-2M advanced divertor configuration and operation parameters , advanced divertor physics, the consist with the core plasma parameter, heat flux profile, density and particle profiles, mitigate the heat flux at target, impurity shielding and pumping, VDE and so on will be studied. Through the study of the advanced divertor of HL-2M, which will make us understand the advanced divertor physics in China, which will very important to support HL-2M divertor design and experience and advanced divertor development in China for next fusion reactor design.

作为未来聚变堆装置的关键部件之一的偏滤器，日益成为聚变堆设计最富有挑战性的前沿课题，尤其是如何使靶板处的热流降到可接受的范围内，有效的屏蔽杂质，并高效的排除聚变产生的氦灰。为了解决上述问题，提出了先进偏滤器的概念。国内的偏滤器研究起步较晚，先进偏滤器的研究处于空白阶段，通过HL-2M装置平台，深入地理解不同先进偏滤器的位形具备怎么的偏滤器物理特性，满足怎么的芯部、边缘等离子体物理需求。分析在高约束模式下的偏滤器物理行为，包括缓解偏滤器的热流、热流剖面研究、靶板处的温度密度、中性粒子压强、粒子循环、杂质屏蔽和抽速对偏滤器的影响等；结合不稳定性分析分析，近一步深入理解先进偏滤器跟芯部等离子体诸多参数的关系，分析瞬态热流通过X点区域的物理特性，并进一步分析先进偏滤器破裂的物理特性。拟通过本项目的支持，理解先进偏滤器具备的特征，更好的支撑HL-2M的先进偏滤器实验和中国偏滤器的发展。

结合HL-2M多种先进偏滤器位形，利用多种等离子体边缘模拟程序，通过建立不同物理因素下（热流、密度、杂质、吹气和抽气等）先进偏滤器的物理分析模型，掌握了利用沾湿面积、靶板几何结构、弱场区和连接长度等因素缓解靶板热流的机制，并理解了先进偏滤器位形下的粒子行为；此外通过非线性破裂分析物理模型，深入理解和掌握先进偏滤器VDE事件的物理机制。.利用SOLPS5.0、SOLPS-ITER程序，通过简化模型产生的网格，开展HL-2M先进偏滤器（雪花及鼎偏滤器位形）物理研究，分析不同先进偏滤器位形和芯部等离子体条件下的靶板热负载、粒子压强、粒子循环、电子离子温度和杂质等情况，评估其对靶板表面材料的影响，初步掌握先进偏滤器的物理机制。利用Soledge2D-EIRENE程序，建立包含第二X点的复杂分析网格，研究了常规和先进偏滤器位形下，随等离子体密度爬升产生的等离子体脱靶行为；由此定量分析了不同位形在热流耗散和等离子体脱靶行为上优缺点；分析了常规和先进偏滤器位形的连接长度和磁通膨胀对脱靶性能的影响。利用EMC3-EIRENE程序开展先进偏滤器的多X点物理效应的研究，对比分析了常规偏滤器位形和雪花偏滤器位形下的粒子输运情况，分析了杂质的演化及其三维分布。利用BOUT++程序开展了边缘不稳定性的研究，分析了触发边缘局域模时的线性不稳定性增长率，发现雪花减偏滤器位形能更好的提高P-B模稳定性；并结合国际现有托卡马克装置偏滤器实验，分析了边缘局域模发生时流出分离面的能量以及热流在第一壁和偏滤器的瞬态沉积。此外，利用DINA程序研究了HL-2M先进偏滤器破裂的物理机制，获取了先进偏滤器破裂的等离子体VDE速度和halo电流极值等重要数据，在国际首次发现偏滤器区域磁拓扑结构与VDEs初期垂直不稳定性增长率以及VDEs后期峰值halo电流之间存在规律性关联。