EAST辐射偏滤器脱靶和靶板热负荷控制实验研究
偏滤器靶板热负荷一直是限制托卡马克装置长脉冲高参数运行的关键问题。对于ITER，稳态热负荷将达到40MW/m2，而type-ⅠELM爆发期间，瞬态热负荷将达到10MJ/m2，而ITER偏滤器靶板材料的稳态和瞬态热负荷极限仅为15MW/m2和0.5MJ/m2。对于将来的CFETR和聚变堆，偏滤器靶板稳态和瞬态热负荷将远超材料极限。国内外辐射偏滤器实验研究表明，通过从偏滤器区域充入N2，Ne，Ar等杂质气体，利用杂质粒子的电离和辐射等物理过程，可以实现脱靶和偏滤器靶板热负荷的有效控制。本论文依托于EAST装置辐射偏滤器系统，通过结合脱靶与grassyELMH模，在保证芯部约束无明显下降的同时，实现了ITER-likeW偏滤器靶板稳态和瞬态热负荷的有效控制。 首先，进行了辐射偏滤器充气系统的升级改造。2017-2018年将辐射偏滤器系统压电阀全部放置于颈管外，并进行了一系列的检漏调试工作，保障了2018-2020年辐射偏滤器物理和反馈控制实验的进行。2020-2021年，EAST下偏滤器由石墨偏滤器升级为全W偏滤器，相应进行了EAST辐射偏滤器充气系统的硬件维护和升级。2016-2020年，为了实现EAST偏滤器靶板热负荷的有效测量，进行了表面热电偶的预研工作，验证了其在EAST等离子体环境中应用的可行性。 其次，在EAST辐射偏滤器实验中，实现了偏滤器稳态脱靶和靶板稳态热负荷有效缓解。上单零位型反场条件下，从上外偏滤器区域充入Ar/Ne气都能实现上外偏滤器稳态部分能量脱靶，探针测得的上外偏滤器峰值热负荷下降超过70％，上外偏滤器打击点附近Tet下降到5eV左右，上外偏滤器区域C溅射得到有效的控制。在较高参数H模条件下，Ip=550kA，Pinj=3.7MW，进行了CD4充气实验，将上外偏滤器靶板稳态峰值热负荷从4.6MW/m2下降到2.5MW/m2，下降约为45％，上外偏滤器打击点附近Tet控制在5eV以下。并且进行了脱靶过程中内外靶板不对称性，正反场辐射分布对比，辐射偏滤器与芯部兼容性等物理分析。 然后，通过结合辐射偏滤器与grassy-ELMH模，实现了稳态和瞬态热负荷的有效缓解。EAST实验表明，grassy-ELMH模相较于type-ⅠELMH模瞬态热负荷仅为其5％-10％，相较于type-ⅢELMH模，有更好的约束性能。为了兼顾瞬态和稳态热负荷缓解，从2018年开始，在EAST上将辐射偏滤器与grassy-ELMH模相结合，实现了grassy-ELMH模区间的稳态深度粒子脱靶，以及芯部约束略有改善的部分脱靶。并且通过对比分析，grassyELM与辐射偏滤器脱靶相互兼容相互有利。在grassy-ELMH模还进行了脱靶反馈控制实验，通过新发展的脱靶反馈控制模式，在维持芯部约束性能无明显下降的基础上，实现了上外偏滤器靶板的有效保护。 为了兼顾芯部约束性能，以及偏滤器靶板稳态和瞬态热负荷的缓解，部分脱靶与grassy-ELMH模相结合，是将来EAST以及聚变堆长脉冲高参数稳态运行非常有前景的运行模式之一。本论文率先开展该方面的实验研究，初步验证了辐射偏滤器与grassy-ELMH模相结合的可行性，为将来聚变堆运行提供了参考。但现EAST装置与聚变堆运行参数差距较大，将来还需在更高参数条件下进行探索。
辐射偏滤器;脱靶热负荷;grassy-ELMH;充气系统
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
罗广南;杨钟时
2021
中文
TL631.24
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）