EAST芯部杂质辐射模拟及金属杂质密度二维分布演化的研究

East tokamak will employ Mo and W as first wall material which will introduce certain amount of Mo and W impurities to the plasma. The radiation of these metal impurities is very intensive and will cause decrease of plasma energy and influence instability. It is very important to understand the basic radiation behavior and transport property of these plasmas to study the optimization of impurity control and plasma performance. At present, there has been great progress in plasma radiation modeling, but still not mature especially for high-Z impurity modeling like W. This project will develop new code based on collisional-radiative model, model fractional abundance and population of impurity ions, analyze the plasma characteristics under various discharges parameters and impurity mixing. Based on the modeling, the project will study how to use soft x-ray camera, electron temperature, density and spectroscopy diagnostic to obtain quick evolution of metal impurity 2-D density distribution. These researches will be helpful for obtaining high performance plasma, improving diagnostic technique and understanding relevant physics phenomena.

EAST托卡马克将采用Mo和W作为第一壁材料，等离子体中将不可避免地出现W、Mo等金属杂质。这些金属杂质的辐射很强，将会引起等离子体能量损失和不稳定性，理解包含这些金属杂质（尤其是未来将作为ITER第一壁材料的W）的等离子体的基本辐射和输运特性对于将来实验研究金属壁条件下杂质控制和等离子体性能优化具有非常重要的意义。目前国内外在等离子体辐射模拟方面已经取得了很大的进展，但是仍然不是很完善，尤其是W这种高Z杂质的模拟。本项目将采用碰撞辐射模型作为框架，开发新的模拟程序，模拟杂质离子各亚稳态和激发态的分布，分析典型放电条件和杂质混合比例下等离子体辐射的基本特性，并以模拟为基础，研究如何使用软X射线诊断结合电子温度、密度及光谱诊断，得出芯部金属杂质密度二维分布的快速演化，这些研究将为获得高性能等离子体、提高诊断技术和理解EAST物理提供基础。

由于理解含有金属杂质的等离子体的基本辐射和输运特性对于实验研究金属壁条件下杂质控制和等离子体性能优化具有非常重要的意义，本项目开展了EAST芯部杂质辐射模拟及金属杂质密度二维分布演化的研究。.研究内容包括：（1）等离子体辐射能谱模拟及辐射功率模拟；（2）研究等离子体中杂质的辐射特性、金属杂质二维分布的快速演化, 并进一步评估等离子体扰动对芯部重杂质行为的影响。.取得的研究结果包括：（1）采用碰撞辐射模型建立了低Z杂质（C、H、O等）和中高Z杂质（Ar、W等）的电离平衡方程，模拟计算了发射率及能谱。通过比较Ar注入前后的实验辐射剖面与模拟辐射剖面，发现模拟的结果与实验的结果符合得比较好。（2）研究了EAST托卡马克装置上Ar和Ne的等离子体辐射特性，在Ar或Ne注入的等离子体放电中，观察到边缘区域大幅增强的辐射，Ar外部注入对芯部辐射的影响与注入位置有关。（3）根据模拟计算得到的连续辐射和杂质线辐射的冷却因子，利用二维气体电子倍增器(GEM)和Tikhonov反演成像算法，从反演的发射率得到杂质浓度及其二维分布随时间的演化。等离子体约束从无边缘局域模式(ELM)的高约束模式(H-mode)向ELMy H-mode转变之前，观察到杂质的上下不对称。当电子温度剖面呈现出内外不对称时，在反演成像图上可以观察到一个大尺度的扰动，扰动驱动杂质向外逸出和能量输运，降低杂质浓度和芯部电子温度梯度。另外，讨论了宏观扰动模与铁杂质密度和电子温度分布的相关性。（4）基于软X射线诊断和光谱、密度、温度等诊断，研究了与杂质相关的长寿命的三维准交换螺旋模的演化机制。.这些研究结果对于增进理解含有金属杂质（尤其是未来将作为ITER第一壁材料的W）的等离子体的基本辐射和输运特性、获得高性能等离子体、提高诊断技术和理解EAST物理具有重要意义。