等離子體所與科大核學院聯(lián)合培養(yǎng)的博士生石生宇（導師：萬元熙院士和高翔研究員）在集成模擬EAST芯部重雜質(zhì)的輸運及其對等離子體性能影響的研究中取得重要進展。相關一系列成果近期發(fā)表在Nuclear Fusion期刊上。

　　帶有內(nèi)部輸運壘的高性能H-mode放電具有很多優(yōu)良特性，使其成為未來托卡馬克聚變堆可選擇的運行模式之一。而內(nèi)部輸運壘的產(chǎn)生機制因取決于許多因素導致較為復雜。在EAST混雜運行模式實驗中（X. Gao et al 2020 Nucl. Fusion 60 102001），已經(jīng)實現(xiàn)了在溫度和密度通道中同時形成的內(nèi)部輸運壘，然而形成這種多通道的內(nèi)部輸運壘的物理機制還沒有被完全理解【1】，而多通道集成預測模擬則有助于更好地理解形成內(nèi)部輸運壘的關鍵物理。最近，等離子體所博士生石生宇在多通道集成預測模擬帶有溫度、密度和環(huán)向旋轉三個通道的內(nèi)部輸運壘的放電中取得新的研究進展【2】。相關成果發(fā)表在Nuclear Fusion期刊上（Shengyu Shi et al 2021 Nucl. Fusion 61 126055）。

　　重金屬材料，如鉬和鎢，由于具有低濺射率、低氚滯留率和高熔點等優(yōu)良性能，可用作熱核聚變反應裝置的面向等離子體元件。然而，由于在熱核聚變反應溫度下，非完全電離的鎢和其他重/高電荷（Z）雜質(zhì)粒子的線輻射率很大，它們在等離子體芯部的累積可能會顯著冷卻等離子體，惡化等離子體性能，導致高約束模式（H-mode）向低約束模式（L-mode）轉變，甚至進一步崩塌。因此，在熱核聚變等離子體中，理解芯部重/高Z雜質(zhì)的輸運、研究它們對等離子體性能的影響以及控制它們在等離子芯部的積累對于聚變裝置穩(wěn)定運行是非常重要的。為了確定EAST高約束模式中等離子體芯部重雜質(zhì)鎢的輸運的主要機理，研究團隊首次系統(tǒng)地分析并模擬了帶有類似ITER偏濾器位形的EAST混合運行模式（hybrid mode scenario）和完全非感應運行模式（fully non-inductive mode scenario）的芯部鎢輸運的行為。在EAST混合運行模式放電中，經(jīng)常觀察到鎢的累積，同時結合背景等離子體參數(shù)的演化，發(fā)現(xiàn)當背景等離子體芯部的環(huán)向旋轉速度和密度峰值較大時，特別容易發(fā)生鎢的積累。通過新經(jīng)典輸運程序NEO和湍流輸運程序TGLF模擬鎢芯部輸運再現(xiàn)了實驗觀測的結果，并確定了背景等離子體的高密度峰值和大的中心區(qū)域的環(huán)形旋轉速度導致的鎢的新經(jīng)典向內(nèi)對流速度是鎢積累的主要原因之一。此外，還分析了芯部重雜質(zhì)對EAST等離子性能的影響。發(fā)現(xiàn)當重雜質(zhì)在EAST芯部積累到一定程度時，可能會引起撕裂模，導致等離子體進一步的崩塌【3】。然而，在EAST完全非感應運行模式放電中，鎢通常可以得到很好的控制。通過分析背景等離子體參數(shù)和模擬鎢的輸運，發(fā)現(xiàn)與混合運行模式相反，在這種完全非感應運行模式條件下，電子的溫度以及其峰值通常較高，而背景等離子體的環(huán)向旋轉和密度峰值較小。模擬的鎢湍流擴散系數(shù)足夠大，足以抵消總的湍流和新經(jīng)典對流速度，因此零粒子通量的鎢徑向密度分布不會達到很高的峰值【4】。此外，研究團隊還提供了兩種方法來控制EAST芯部鎢積累，即通過使用反向中性束注入來減小環(huán)向旋轉速度以及在軸的電子回旋共振加熱來提高電子溫度。并分析了這兩種方法在EAST上控制重雜質(zhì)鎢積累的物理機制。上述工作驗證了之前CFETR雜質(zhì)輸運模型的可靠性【5】，對于將來ITER的輸運研究以及重雜質(zhì)控制有重要的參考意義【6】。

　　該成果是等離子體所、中國科學技術大學以及國際同行長期廣泛開展合作交流的研究成果，合作者包括法國原子能委員會聚變研究所Clarisse Bourdelle博士、美國通用原子能公司Vincent S. Chan教授和Tomá? Odstr?il博士、加州大學圣地亞哥分校簡翔博士、中科院等離子體物理研究所陳佳樂副研究員、張凌研究員等人。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金以及國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項等項目的資助。

　　參考文獻：

　　【1】X. Gao et al 2020 Nucl. Fusion 60 102001

　　【2】Shengyu Shi et al 2021 Nucl. Fusion 61 126055

　　【3】Shengyu Shi et al 2022 Nucl. Fusion https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac3e3b 

　　【4】Shengyu Shi et al 2022 Nucl. Fusion https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac3e3c 

　　【5】Shengyu Shi et al 2018 Nucl. Fusion 58 126020

　　【6】Shengyu Shi et al 2022 submitted to Nucl. Fusion