长脉冲 H 模的实现与机理研究的若干问题

长脉冲 H 模的实现与机理研究的若干问题

中国科学院合肥物质科学研究院高翔

ASIPP

国家磁约束核聚变能发展研究专项 2014 项目

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一、立项依据二、国内外研究现状三、拟解决的关键科学问题和主要研究内容四、研究目标和研究方案五、课题设置六、现有工作基础和条件七、研究队伍八、经费预算

提纲

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提纲

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未来聚变堆需要长脉冲高约束等离子体(1) 为了降低造价， ITER 必需采用高约束模式（ H 模）运行；(2) 聚变能应用于商业发电要求聚变堆等离子体能实现稳态运行或者具有高占空比的长脉冲运行；(3) ITER 的两个重要物理目标 [1] ：

a. 获得感应电流驱动、聚变增益因子Q≥10 的长脉冲 H 模（约 400 s ）；

b. 论证非感应电流驱动、 Q≥5 燃烧等离子体稳态运行的可行性。

WITER

~350 MJ

[1] B.J.Green Plasma Phys. Control. Fusion 45 (2003)

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长脉冲 H 模是 ITER 的一个重要目标

ITER 有三种运行方案：1 、感应运行模式：传统的感应电流驱动的 I 类 ELMy H 模运行，非感应电流份额 ( 包括外部驱动电流和自举电流 ) ~15% ，等离子体燃烧时间约

400s ；2 、混杂运行模式：非感应电流份额 ~50% ， H98=1-1.2 ， bN~2.5 ，芯部 q剖面具有弱的剪切。等离子体燃烧时间提高到～ 1000 s ；3 、稳态运行模式：完全非感应电流驱动，芯部 q 一般具有弱或者负剪切，

H98>1.3 。由于冷却系统的限制，等离子体燃烧时间约 3000 s 。在 EAST 装置上开展长脉冲 H 模的实现及相关机理研究将为ITER 实验提供切实的理论与经验支持。

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提纲

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国外研究现状• 偏滤器位形托卡马克的长脉冲 H 模研究

JET

ASDEX-U

JET

JT-60UDIII-D

ASDEX-U

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JET 长脉冲 H 模放电F.Villone et al. 34th EPS 2007

混杂运行模式高份额的非感应电流放电

J.Mailloux et al. 23rd IAEA 2010

• JET 混杂运行模式的放电长度最长到 20 秒(~3tR) ，其长度受 NBI 脉宽限制；

• 一般无 sawtooth, 但是有时候存在小幅度的3/2 、 4/3 NTM ；

• I 类 ELM 幅度相当与普通的 H 模中的 ELM ，需要对 ELM 进行控制；• 由于加热功率的限制，未达到理想 MHD 极限。

• 联合 NBI(22.5MW),ICRH(6.6MW) 和LHCD(2.3MW) 实现稳定 (>10tE) 、 bN~2.7的 ELMy H 模放电；

• ITB+ETB ，约束改善 H98~1.2 ；• 70% 电流由自举电流和外部驱动提供；• q 剖面在放电过程中无法维持，一直演化，需要更多的非感应电流代替欧姆电流；• 更高约束等离子体通常由于 2/1 NTM 激发而导致约束降低或者破裂。

fBS~40%, fBD~10% fBS~40%, fBD~20% ， fLH~10%

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JT-60U 长脉冲 H 模放电N. Oyama, Nucl. Fusion 49 (2009)

• bN~2.6 ， Vloop=0.15V ， H98>1 的混杂运行长达 25 s (~14tR) ，放电长度受 NBI 能力限制；• 芯部 q 保持平坦分布， qmin~1 。 q=1.5 和 2 面上的压强梯度足够小，避免了 NTM 的发生；• 放电后期约束下降， bN 反馈控制导致 NBI 功率上升；• 约束下降可能是由于壁温上升，边界再循环上升，台基和芯部温度下降。

混杂运行模式

第一壁的条件是长脉冲运行的关键问题之一，必须在更长的时间尺度上研究壁的再循环

fBS~42%, fBD~5%

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JT-60U 稳态放电 ( 弱剪切 )

• ELMy H 模： 1MA/2.4 T ， q95=4.5 ， bN=2.4 ， H89=2.2 ， 5.8 秒 (~2.8tR) ，受限于负离子源中性束脉宽；• 通过反馈控制储能和调制 NBI 注入时间，优化压强分布和 q 分布。芯部形成弱的 ITB ， q=2 面处的 Ti 和 Te 梯度较弱，避免了 2/1 的 NTM 。

q 剖面的控制是实现长脉冲 H 模放电的关键之一

fBS~43%, fBD~47%

Y.Sakamoto, Nucl. Fusion 45 (2005)

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JT-60U 稳态放电 ( 强剪切 )

• ELMy H 模： 0.8MA/3.4 T, 7.4 s (~2.7 tR), q95=8.3, bN=1.7, H89=3.0 ， ITB+ETB 导致好的约束；

• 强剪切稳态放电中，当 qmin 跨越整数时，容易破裂；• 使用旋转控制 ITB 的强度，避免破裂，但并不总是有效。

Y.Sakamoto, Nucl. Fusion 45 (2005)

fBS>75%, fBD~20%

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• fBS ~ 65-85%, NBCD ~ 15%-30%, ECCD ~ 0%-10% ；• 实现 bN=3.3 的完全非感应电流驱动 ELMy H 模 3.7

s ；• ITB 的周期性崩塌限制了压强的进一步上升。

P.A.Politzer, Nucl. Fusion 45 (2005)

DIII-D 高自举电流的稳定放电

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A.C.C.Sips, Nucl. Fusion 47 (2007)

• bN~2.9, H98~1.4 高参数等离子体维持了 1.5 s (10 tE) ；

• 经常会出现 fishbone 和 3/2 NTM ；• 对 3/2NTM 的控制是获得高 b 等离子体的关键。

ASDEX-U 的改善 H 模Improved H-mode

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国内 HL-2A 和 EAST 研究现状中国环流器二号 A 装置（ HL-2A ）首次实现了偏滤器位形下 H 模运行

东方超环（ EAST ）在 2012 年实验中，实现了长达 411 秒的长脉冲 L 模放电和 32 秒的 H 模放电

国内研究现状和发展趋势X.R. Duan et al. Nucl. Fusion 50 (2010)

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Ip~0.28MA, Bt~1.85T, Vloop=0.15 – 0.25 V, PLH ~2.0 MW,

PICRF~0.75MW@27MHz, bp~1.0, H98~0.8

EAST 装置 32 秒低比压 H 模放电

J.Li et al., Nature Physics Nov.17 (2013)

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• 长脉冲 H 模运行方案的模拟、预测与实现• 混杂模式和稳态运行模式的内部输运垒的产生、维持与

控制， q(r) 分布的测量与控制• 台基结构与边界局域模的有效控制• NTM 与破裂的抑制与避免• 先进加料、壁滞留与再循环的控制• 先进的等离子体控制技术• 偏滤器与 SOL物理• 高功率长脉冲辅助加热系统

长脉冲 H 模研究中的关键科学问题

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提纲

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拟解决的关键科学技术问题长脉冲 H 模的理论模拟与实现长脉冲 H 模的芯部粒子输运研究长脉冲 H 模的 ELM 与台基湍流研究长脉冲 H 模的 MHD 不稳定性研究长脉冲 H 模的加料效率与壁滞留研究

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关键科学技术问题相关的主要研究内容• EAST 上长脉冲 I 类 ELMy H 模运行的设计与实现。• 研究 H 模等离子体中低杂波电流的驱动效率，先进加料技术

与 ITB 的研究，研究低环电压下 H 模等离子体的芯部粒子输运和杂质输运。

• 研究台基湍流的时空特征；探索 ELM爆发和崩塌过程；实现多种方法对 I 类 ELM 的控制，并研究其相关机理；在全钨偏滤器条件下，研究 L-H转换功率阈值。

• 控制和抑制芯部等离子体 MHD不稳定性（特别是 NTM ）；探索快粒子驱动 MHD不稳定性的机制。

• 长脉冲 H 模放电中加料效率以及壁滞留研究，并开展偏滤器靶板热流和粒子流的控制及其机理研究。

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提纲

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EAST 高比压 I 类ELMy H 模等离子体

研究目标总体目标：集成 EAST 长脉冲 H 模实验研究的能力，最终在 EAST 上形成一个能够实现托卡马克长脉冲 H 模物理相关的理论模拟、实验、控制和分析于一体的完整系统，同时培养和造就一支高水平的研究团队，为我国参与 ITER 研究及未来聚变堆建设培养人才。

将各种控制手段集成到等离子体运行中，有效实现更长脉冲下的放电、解决放电期间各类不稳定性的控制、粒子 /热流的控制和壁滞留问题。

演示百秒量级的高比压 I 类ELMy H 模等离子体

后三年模拟计算、诊断建立、物理机制研究

在 EAST 装置上发展出 10 秒量级稳定的高比压 I 类 ELMy H 模放电及其控制技术前两年

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研究方案

就长脉冲 H 模研究中相关的几类重要物理问题，如芯部的 ITB 物理与杂质研究、台基区物理与 ELM 控制、全钨偏滤器下的 L-H 转换阈值功率、快粒子与 MHD 及破裂问题、加料效率与粒子流和热流控制、燃料滞留等开展一系列相互关联的探索性实验研究。

开展实验研究建立并发展各物理问题研究所需的高分辨高精度的相关诊断。如 Q波段的微波反射仪、 V波段的极向 /径向相关反射仪、切向真空紫外高速成像系统、红外热像仪诊断、弹丸注入系统的研制、偏振干涉仪的改进等，并完善相关的分析程序，为长脉冲 H 模的研究提供基础。

建立相关诊断和控制系统

在 EAST 上建立长脉冲 H 模理论模型，对可能实现长脉冲 H 模的方案进行分析计算。

分析模拟计算

积极参与 ITPA 的相关联合实验与讨论，每年举办一次长脉冲 H 模相关的国际学术研讨会，提高研究水平，增强国际影响力。联合实验和讨论实现长脉冲 H模

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本项目的创新性和特色在 EAST超导托卡马克演示百秒量级高比压 I 类ELMy H 模等离子体放电，为 ITER 装置的稳态运行提供经验；长脉冲条件下实现 MHD不稳定性（特别是 NTM和 ELM ）长时间的有效控制；长脉冲条件下实现 ITB 和台基的优化和控制；首次在百秒量级高比压 I 类 ELMy H 模下研究加料效率、壁滞留和再循环问题。

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提纲

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课题设置课题承担单位负责人

1 长脉冲 H 模的理论模拟与实现中国科学院合肥物质科学研究院李国强

2 长脉冲 H 模的芯部粒子输运研究中国科学院合肥物质科学研究院刘海庆

3长脉冲 H 模的ELM 与台基湍流研究

中国科学院合肥物质科学研究院高翔

4长脉冲 H 模的MHD 不稳定性研究

中国科学技术大学中国科学院合肥物质科学研究院蔡辉山

5长脉冲 H 模的加料效率与壁滞留研究

苏州大学中国科学院合肥物质科学研究院吴雪梅

围绕项目的目标和研究内容，拟设置以下五个课题

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课题之间的关联性课题 1 ：长脉冲 H 模的

理论模拟和实现理论模拟实现

课题 5 ：长脉冲 H 模的加料效率与壁滞留研究

课题 3 ：长脉冲 H 模的ELM 与台基湍流研究

课题 2 ：长脉冲 H 模的芯部粒子输运研究

课题 4 ：长脉冲 H 模的MHD 不稳定性研究

长脉冲 H 模必须解决的关键问题

物理机制和控制方法

控制方式、缓解技术及加料技术等研究结果

长脉冲 H 模

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提纲

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现有工作基础与条件

基本的和先进的诊断先进加料系统：充气、超声分子束、弹丸注入

LHCD4MW(2.45)

NBI (2014)4MW(80KeV)

ICRF (2013)6 MW

30-100MHz

LHCD (2013)6MW(4.6GHz)

ECRF (2014)4MW

NBI (2013)4MW (80KeV)

ICRF(2013)6 MW

20-70MHz

ECRF (2016)6MW

中国科学院合肥物质科学研究院EAST 实验平台

高功率、长脉冲的加热和电流驱动

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研究了快离子影响撕裂模不稳定性的物理机制，提出了利用快离子控制撕裂模不稳定性的方法，结果发表在 PRL 上；利用大规模数值模拟验证了理论模型。

Huishan Cai et al. Phys. Rev. Lett. 106 (2011)

现有工作基础与条件快离子对撕裂模的影响中国科学技术大学

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现有工作基础与条件初步研究了强磁场条件下新型螺旋波等离子体清洗

双盘绕串联式天线

EAST 上不同磁场、功率和气压条件下的螺旋波清洗等离子体螺旋波电源

苏州大学

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提纲

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项目负责人• 高翔，男， 1965 年 3月生，等离子体物理专业博士、研究员、中国科学院等

离子体物理研究所博士生导师。自 1985 年起一直从事聚变等离子体物理与托卡马克实验的研究工作，主持多项包括国家自然科学基金重点项目的科研项目。

• 现任中科院等离子体所聚变堆总体研究室执行主任，中国科学院等离子体物理研究所EAST 科技委员会委员，安徽省核学会副理事长兼秘书长，清华大学 SUNIST 学术委员会委员；

• 多家期刊杂志评阅人：“强激光与粒子束”杂志社第六届编辑委员会编委，“ Chinese Physical Letter” 、 “ 物理学报 ” 、 “ Plasma Science and Technology” 、“强激光与粒子束”、“Chinese Physics” 、“核聚变与等离子体物理”和“ Journal of Nuclear Material” ；

• 目前是我国 ITPA 项目 Pedestal课题组负责人，国家磁约束核聚变能发展研究专项“ ITPA 基本物理问题的研究”项目首席科学家；

• 目前已发表SCI论文91篇，其中第一作者论文26篇。

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课题负责人

刘海庆，男，副研究员， 2001 年 8月起在中国科学院等离子体物理研究所工作。2011 年在日本九州大学获得博士学位。主要从事等离子体远红外激光干涉仪诊断的研制和实验测量，等离子体密度行为研究等相关物理工作。参与了为 HT-7建立多道 HCN远红外激光干涉仪诊断系统和实验测量工作，为 EAST 全超导托卡马克设计了多道 DCN远红外激光干涉仪诊断系统。 2003 年至 2006 年中国科学院等离子体研究所攻读硕士学位期间，独立完成大功率连续波氘化甲烷激光器的设计、研制工作。先后以骨干身份参与了中科院设备和仪器研制项目、国家自然科学基金项目，国家 973 ITER 专项等项目研究。发表 SCI收录文章 20余篇， EI收录文章多篇；参加多次国际会议并给出重要学术报告，在第 8届亚洲聚变等离子体会议中获年轻科学家最佳海报奖。现主要参加 ITER 专项课题“电流密度分布诊断技术研究”和相关等离子体物理实验研究。

李国强，男，理学博士，副研究员， 2005 年毕业于中国科学技术大学地球和空间科学学院空间物理专业，获得理学博士学位。目前主要从事托卡马克等离子体平衡、磁流体稳定性和输运的集成建模和模拟工作，主持和参与国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金等多项研究课题，在 SCI 杂志发表多篇文章。

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课题负责人

吴雪梅，女，博士，苏州大学教授，博士研究生导师。中国力学学会等离子体科学与技术专业委员会委员，中国电工技术学会电子束离子束专业委员会委员，中国物理学会等离子体分会理事，江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人，苏州大学“等离子体物理及应用”创新团队的负责人。长期从事新型等离子体源研制及等离子体放电的物理化学过程以及应用研究，开展等离子体与材料相互作用的物理化学过程及其相关复杂性研究，开展新型诊断技术的研发工作。在国内外核心刊物上发表过相关论文 100余篇。“离子束掺杂调制薄膜材料光发射和电子发射特性” 2005 年通过江苏省省级鉴定。“多频等离子体和离子束沉积多种微纳电子薄膜材料”（第二）获得 2008 年度江苏省科技进步三等奖。先后主持和参加科技部课题各 1 项，主持国家自然科学基金项目 6 项 ( 面上 4 项，专项 2 项），申请专利 8 项（授权 1 项），编写教材（编著） 3 部（其中主编 1 部）。

蔡辉山，男， 1980 年生， 2008 年毕业于中国科学技术大学近代物理系，获得博士学位，目前为中国科学技术大学副教授。一直从事磁约束聚变理论研究，近几年来对撕裂模不稳定性和快粒子与撕裂模不稳定性相互作用上进行了研究。在PRL 、 PoP 等杂志上发表多篇相关学术论文。

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研究队伍

主要学术骨干：总人数 51人专业背景：等离子体物理学、电磁学、凝聚态物理学、物理电子学、真空技术、材料科学与工程等

研究团队人员充足，水平较高，学科结构合理，完全具备完成本项目的能力

项目人数

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提纲

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经费预算合计经费预算 4575万元

课题经费分布

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结语本项目在前期工作的基础上，将进行 EAST 装置的长脉冲H 模的理论模拟、长脉冲 H 模的实现、长脉冲 H 模相关不稳定性的控制及相关物理机制研究。本研究项目的最终目标是在 EAST 装置，演示百秒量级的高比压 I 类 ELMy H 模等离子体。本项目将推动 EAST 装置进入世界前沿的长脉冲 H 模实验研究中，同时培养和造就一个高水平的研究团队，为我国参与 ITER 研究及未来聚变堆建设培养人才。

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致谢

谢谢！

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