Transcript 长脉冲H模的实现与机理研究的若干问题 - 聚变堆总体研究室

ASIPP
国家磁约束核聚变能发展研究专项2014项目
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
提纲
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
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提纲
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
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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 ；
WITER
~350 MJ
(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。
[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
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
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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
JT-60U
DIII-D
ASDEX-U
JET
ASDEX-U
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JET长脉冲H模放电
F.Villone et al. 34th EPS 2007
fBS~40%, fBD~10%
混杂运行模式
• 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。
J.Mailloux et al. 23rd IAEA 2010
fBS~40%, fBD~20%， fLH~10%
高份额的非感应电流放电
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。
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JT-60U长脉冲H模放电
混杂运行模式
N. Oyama, Nucl. Fusion 49 (2009)
fBS~42%, fBD~5%
•
•
•
•
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。
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
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JT-60U稳态放电(弱剪切)
Y.Sakamoto, Nucl. Fusion 45 (2005)
fBS~43%, fBD~47%
•
•
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
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JT-60U稳态放电(强剪切)
Y.Sakamoto, Nucl. Fusion 45 (2005)
fBS>75%, fBD~20%
• 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。
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DIII-D高自举电流的稳定放电
P.A.Politzer, Nucl. Fusion 45 (2005)
• 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。
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ASDEX-U的改善H模
Improved H-mode
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。
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国内研究现状和发展趋势
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
X.R. Duan et al. Nucl. Fusion 50 (2010)
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
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EAST装置32秒低比压H模放电
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
J.Li et al., Nature Physics Nov.17 (2013)
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长脉冲H模研究中的关键科学问题
• 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
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提纲
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
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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
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
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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。
EAST高比压I类
ELMy H模等离子体
演示百秒量级的
高比压 I类ELMy
H模等离子体
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
模拟计算、诊断建立、
物理机制研究
前两年
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。
后三年
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研究方案
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
建立相关诊断
和控制系统
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。
实现
长脉冲H模
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。
联合实验和讨论
开展实验研究
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。
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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
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
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课题设置
围绕项目的目标和研究内容，拟设置以下五个课题
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
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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
研究
结果
长脉冲H模
控制方式、缓解技
术及加料技术等
课题2：长脉冲H模的芯
课题3：长脉冲H模的
部粒子输运研究
ELM与台基湍流研究
物理机制和
控制方法
长脉冲H模必须
解决的关键问题
课题4：长脉冲H模的
MHD不稳定性研究
课题5：长脉冲H模的加
料效率与壁滞留研究
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提纲
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
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现有工作基础与条件
中国科学院合肥物质科学研究院
EAST实验平台
NBI (2014)
4MW(80KeV)
LHCD (2013)
6MW(4.6GHz)
ICRF (2013)
6 MW
30-100MHz
ECRF (2016)
6MW
ICRF(2013)
6 MW
20-70MHz
NBI (2013)
4MW (80KeV)
ECRF (2014)
4MW
LHCD
4MW(2.45)
高功率、长脉冲的加热和电流驱动
 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
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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
 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)
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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
苏州大学
双盘绕串联式天线
螺旋波电源
EAST上不同磁场、功率和气压条件
下的螺旋波清洗等离子体
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提纲
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
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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。
32
课题负责人
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。
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。
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课题负责人
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。
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）。
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项目人数
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
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提纲
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
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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。
38
致谢
谢谢！
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