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中国科学院合肥物质科学研究院,合肥研究院等

日期:2019-10-02编辑作者:科技之门

3月29日至4月1日,美国等离子体输运Task Force专题研讨会在美国科罗拉多州丹佛召开。来自中国、美国、日本等国家高校、科研单位的上百名实验与理论模拟专家学者参会。此次会议共11个大会特邀报告,56个墙报报告,设立了非线性台基湍流、高能粒子、三维效应、多尺度集成等9个工作组,各工作组共计28个口头报告。

日前,DIII-D&EAST联合研究团队在DIII-D上进行了实验,该实验将2013年DIII-D/EAST联合实验中测试的高极向比压、高最小安全因子运行模式推广到了具有更高等离子体电流和更高的归一化聚变性能参数的感应运行模式。该实验旨在探索最小安全因子大于2且具有低扭矩的可外推到EAST的长脉冲高性能运行模式,相关论文以“Scenario development for high βp low torque plasma with qmin above 2 and large-radius internal transport barrier in DIII-D”为题发表在核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion杂志上(Nuclear Fusion, 57 022016)。

美国能源部12月19日公布了2017年聚变能科学亮点——“New Physics Understanding Provides Attractive Path for Developing Fusion Energy via a Steady-State Tokamak”。这来自于等离子体所龚先祖研究员和美国通用原子公司Andrea Garofalo博士共同领导的EAST/DIII-D联合实验研究,这也是中国磁约束聚变科学家们的相关成果首次被美国能源部官方媒体报道。

基于由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所科研人员主导的在美国DIII-D上的联合实验Joint DIII-D/EAST Experiment on Development of FullyNoninductive High-βPEASTScenario的报告Energy Transport Analyses of DIII-D High-βP EAST-Demonstration Discharges被推荐为本次大会的特邀报告之一。报告是等离子体所EAST与美国DIIID联合实验工作组共同努力的结果,是等离子体所与美通用原子公司聚变研究国际合作的又一重要成果,并为EAST开展高约束先进稳态运行模式的探索提供了理论支持。副研究员潘成康代表EAST-DIIID联合实验工作组作了大会特邀报告,详细分析了EAST/DIII-D联合实验的高极向比压放电的能量输运以及其离子和电子能量输运的特点。报告引起了国际同行的高度关注和热烈讨论。会议期间,等离子体所研究员高翔的《EAST托卡马克台基湍流实验》的报告介绍了EAST上运用微波反射仪研究台基区域的湍流以及台基内侧涨落测量的最新进展。

EAST等离子体预期运行在低扭矩、qmin>2、射频波主导加热,平衡NBI注入,强低杂波离轴电流驱动和自举电流的条件下。该实验发展的运行模式对于未来EAST实现长脉冲高性能运行具有非常重要的参考意义。该实验在最小安全因子大于2且低NBI注入扭矩的条件下获得了短暂的非常高的约束性能,H89=3.5(或H98,y2=2.1),βN~3.0。其优良的约束与在0.8MA等离子体电流下在大的小半径位置所有通道(ne,Te,Ti,VΦ)自发形成的内部输运垒有关。测量显示在内部输运垒形成的位置包括阿尔芬本征模和宽频湍流在内的涨落水平显著降低。线性回旋动理学模拟也支持强内部输运垒形成过程中大多数不稳定模式增长率的降低。模拟结果预示了湍流的强烈抑制以及某个正反馈机制可能在该过程中起作用,并导致大半径内部输运垒的自发形成。在不稳定的内部输运垒阶段,观察到边界局域模崩塌有助于大半径内部输运垒的瞬态形成。发现这种内部输运垒的形成对芯部等离子体具有屏蔽效应,同时隔绝了边界局域模造成的扰动。

如何在低环向旋转下实现并维持高约束稳态运行模式是未来基于托卡马克的聚变实验堆(如ITER和CFTER)的科学难题之一。在EAST/DIII-D的联合实验中,由中美科学家组成的联合研究团队在DIII-D实验装置上发现了一种新的高约束等离子体维持机制,能够通过等离子体中较大的Shafranov位移及其带来的磁剪切抑制湍流,成功验证了低等离子体旋转的高约束稳态运行模式(H98≥1.5,fNI ~100%),在这种新的高比压稳态等离子体运行模式中远离磁轴的径向位置形成很强的内部输运垒(ITB @ rho ~ 0.6 - 0.7)。联合实验团队进一步从理论模拟和实验上系统地分析了环向旋转、等离子体压强和电流剖面对湍流抑制的机理。最近,实验通过反剪切的电流分布优化在q95 ~ 6.0和环向旋转接近于零的条件下首次实现了H98 ~1.75的高极向比压运行,数值模拟可外推高极向比压运行模式到ITER和CFETR的稳态运行并维持高约束模式。

美国等离子体输运Task Force专题研讨会每年召开一次,旨在加深对磁约束聚变装置中的粒子输运、动量输运以及能量输运的物理理解,发展等离子体输运的预测模型,并对预测模型进行实验验证,用于燃烧等离子体的预测与模拟,为下一代核聚变科学装置的设计提供指导。

该项研究成果是等离子体所长期重视开展国际、国内合作的结晶。得到了浙江大学、美国通用原子能公司、苏州大学、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、威斯康星大学麦迪逊分校、以及橡树岭联合大学等国内外合作者的共同参与和大力支持,同时也是EAST大科学工程团队团结协作的重要成果。本工作受到国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金的支持。

EAST/DIII-D联合实验研究的最终目标是在EAST上应用和发展DIII-D的先进高性能运行模式原型,并演示真正稳态高参数长脉冲运行。联合团队成员钱金平、Andrea Garofalo、黄娟、任启龙、潘成康和丁斯晔等分别在2015APS-DPP、2016TTF、2016IAEA FEC、2016APS-DPP、2017EPS和2017APS-DPP等国际会议上报道了相关研究进展,研究结果分别发表在Nuclear Fusion、Plasma Physics and Controlled Fusion和Physics of Plasmas等期刊上

论文链接:

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该实验中的典型放电DIII-D160710炮,纵场2.05T,等离子体电流从0.6MA爬升到0.8MA。中性束功率8~10MW,注入束扭矩为3~5Nm。使用了βN反馈控制技术,控制在3.0。在低等离子体电流和高等离子体电流阶段都获得了最小安全因子大于2,在图中所示的3个阴影区域存在4个约束增强时期。

美国能源部2017年聚变能科学亮点报道EAST/DIII-D联合实验托卡马克高约束高比压稳态运行模式的发展

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通过相关性分析发现台基-内部输运垒相关性增加的同时台基-芯部的相关性降低。因此,可从该实验中得出结论:大半径内部输运垒的形成对芯部等离子体具有屏蔽效应,同时隔绝了ELM崩塌造成的扰动。这种特性打破了一直以来认为的台基高度决定芯部等离子体性能的状态。

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