近日，中科院合肥研究院等離子體所科研人員在雜草型邊界局域模（Grassy ELM）高約束等離子體與輻射偏濾器反饋控制兼容運行研究方面取得了進展，發展了一種新的輻射偏濾器反饋控制方法。通過監測上外偏濾器靶板打擊點附近等離子體的電子溫度及反饋控制偏濾器X點附近輻射水平，在EAST裝置上實現了Grassy ELM高約束等離子體放電期間穩定偏濾器部分脫靶與良好等離子體芯部約束性能的兼容，研究成果以“Divertor impurity seeding with a new feedback control scheme for maintaining good core confinement in grassy-ELM H-mode regime with tungsten monoblock divertor in EAST”為題發表于Nuclear Fusion期刊上。

　　在托卡馬克磁約束核聚變裝置中，偏濾器和第一壁將承受從芯部等離子體輸運出來的大量穩態和瞬態熱流粒子流，其中偏濾器靶板是等離子體與壁相互作用最劇烈的部件。對于ITER、CFETR等未來聚變裝置而言，過高的熱流粒子流將嚴重腐蝕偏濾器靶板和第一壁材料、產生雜質和增加粒子再循環，這些邊界雜質和再循環粒子會返流進入主等離子體，嚴重破壞等離子體的約束性能甚至引起放電破裂。因此，如何在維持高約束性能等離子體穩態運行的同時對到達偏濾器靶板表面的穩態和瞬態熱流粒子流進行有效控制，以避免強烈的等離子體與壁相互作用的發生，是未來ITER和CFETR實現其運行目標的基礎，甚至還關系到裝置的運行安全和核心部件的使用壽命。

　　一方面，利用輻射偏濾器技術實現偏濾器脫靶運行是當前靶板穩態熱負荷的最佳控制方案。近二十年來，包括EAST在內的國際主流磁約束聚變裝置均開展了大量相關實驗，充分驗證了該技術在有效緩解偏濾器穩態熱負荷問題上的可行性。而在EAST等裝置前期研究中，由于其控制算法局限性、診斷測量限制等因素，導致利用總輻射功率或偏濾器靶板離子飽和流作為控制信號的輻射偏濾器反饋控制方法并不能很好地解決長脈沖放電條件下穩定偏濾器脫靶狀態的維持問題。另一方面，實現小幅度或者無ELM高約束性能運行是有效控制ELM所引起的強烈靶板瞬態熱負荷問題的核心和出發點。在EAST裝置中觀察到的Grassy ELM放電就是一種擁有高頻小幅度ELM的高約束運行模式，其瞬態熱負荷一般僅為大幅度Type-I ELM的1/20左右，具有強雜質排放能力；并且Grassy ELM不會給邊界及偏濾器區等離子體帶來大幅度擾動，不易引起較大的偏濾器狀態跳變現象，有利于維持穩定的偏濾器脫靶狀態。這使得Grassy ELM放電模式成為實現輻射偏濾器與穩態H-mode放電兼容運行的一種理想候選方案。

       對于當前國內外磁約束聚變裝置乃至未來聚變堆而言，探索并發展在維持芯部高約束性能等離子體穩態運行條件下兼顧邊界穩態與瞬態熱流粒子流有效控制的集成化方案將是其亟需研究并解決的問題。然而，當前國際磁約束聚變界針對該問題的研究工作尚未系統性地開展。尤其是受制于裝置實際條件和硬件能力，大多數托卡馬克裝置無法在契合未來聚變堆環境的大功率加熱、低動量注入和金屬壁的條件下開展長脈沖實驗，從而導致其研究結果難以拓展到未來聚變反應堆裝置環境。針對這一當前磁約束聚變的關鍵物理問題，等離子體所科研人員于近年來開展了大量研究工作，也取得了一定進展。

　　最近，由徐國盛研究員、袁旗平副研究員、王亮研究員和李克棟博士研究生等組成的研究團隊在EAST物理實驗中發現，當在偏濾器區注入過量的雜質或累積雜質過多時，偏濾器區X點附近輻射水平會顯著增加，且臺基性能出現退化。針對這一實驗現象，并結合由絕對極紫外診斷系統 (AXUV) 測量的X點附近輻射水平與偏濾器打擊點附近電子溫度(T_et)以及芯部約束性能之間良好的對應關系，該研究團隊在EAST裝置上提出了一種新的輻射偏濾器反饋控制策略。其流程圖如圖1所示，在Grassy ELM高約束等離子體放電條件下，首先注入混合雜質氣體(50% N_e和50% D₂)提高偏濾器輻射水平，利用外靶板打擊點附近偏濾器朗繆爾探針測量的電子溫度信號(T_et)確定偏濾器脫靶的開始，即當打擊點附近的T_et下降至5-8eV，然后等離子體控制系統以當前X點附近AXUV通道（AXUV59）測量的輻射量加上一個可調增量為目標，通過調節充氣壓電閥供電電壓的脈寬調制占空比，即上鎢偏濾器外靶板打擊點附近混合雜質氣體注入量，實現對偏濾器輻射的反饋控制。實驗結果表明，采用該控制策略實現了穩定的外靶板部分脫靶，即打擊點附近的T_et維持在5-8eV范圍內，紅外相機測量的外靶板表面峰值溫度(T_IR,peak)下降并維持在~180°C，并且等離子體儲能在整個反饋控制期間幾乎保持恒定，穩定維持在H_98,y2>1的良好整體能量約束水平，如圖2所示。

　　在EAST裝置上發展的這一新輻射偏濾器反饋控制方案，實現了在Grassy ELM高約束等離子體條件下，穩定輻射偏濾器部分脫靶與良好等離子體芯部約束性能的兼容運行，有效控制了瞬態和穩態偏濾器靶板熱負荷，為EAST高參數長脈沖穩態運行放電提供了一個非常具有應用前景的等離子體控制方案，并為未來的穩態聚變反應堆控制提供了有益參考。

　　基于以上研究成果，等離子體所研究人員將依托升級后的EAST下鎢偏濾器，進一步開展相關物理實驗，優化放電參數，繼續改進輻射偏濾器反饋控制策略，為在EAST裝置上實現大于粒子平衡時間尺度的長脈沖高參數放電，以及未來聚變堆就與高約束性能芯部相兼容的偏濾器熱負荷問題可靠解決方案提供關鍵物理和技術支持。

　　以上工作得益于EAST團隊的通力協作以及國內外合作，相關工作受到國家自然科學基金安徽省區域創新發展聯合基金U19A20113、國家磁約束核聚變能發展研究專項、中國科學院等科研項目的支持。

　　相關鏈接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab91fa。

　　圖1 EAST輻射偏濾器反饋控制策略流程圖

　　圖2 EAST穩態高性能grassy-ELM H-mode放電與輻射偏濾器兼容運行控制典型炮放電參數（#87887）