EAST輻射偏濾器脫靶與靶板熱負(fù)荷控制實(shí)驗(yàn)的深度剖析與創(chuàng)新探索一、引言1.1研究背景與意義能源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的基石，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口的不斷增加，能源需求持續(xù)攀升，傳統(tǒng)化石能源的有限性和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，尋找可持續(xù)、清潔的能源替代方案成為當(dāng)務(wù)之急。核聚變能作為一種幾乎取之不盡、用之不竭的清潔能源，其原料在地球上儲(chǔ)量豐富，且反應(yīng)過(guò)程幾乎不產(chǎn)生溫室氣體和長(zhǎng)期放射性廢物，被認(rèn)為是解決未來(lái)能源危機(jī)的理想選擇，在眾多核聚變研究途徑中，磁約束聚變以其相對(duì)成熟的技術(shù)和良好的發(fā)展前景成為研究熱點(diǎn)，托卡馬克裝置則是磁約束聚變研究的主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。EAST作為世界上首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，在磁約束聚變研究領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。其具備與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）相近的工程技術(shù)條件，如超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)、高功率長(zhǎng)時(shí)間加熱能力以及與ITER位形相似的鎢銅偏濾器系統(tǒng)等。EAST能夠開(kāi)展低動(dòng)量、電子加熱為主的長(zhǎng)脈沖等離子體物理實(shí)驗(yàn)，為ITER的運(yùn)行和未來(lái)聚變堆的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)驗(yàn)證，是ITER穩(wěn)態(tài)物理最重要的演兵場(chǎng)。自建成運(yùn)行以來(lái)，EAST在非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)、約束改善和維持、邊界不穩(wěn)定性控制等多個(gè)前沿穩(wěn)態(tài)物理方面取得了突破性進(jìn)展，不斷刷新著等離子體運(yùn)行的參數(shù)記錄，引領(lǐng)著磁約束聚變前沿研究。在托卡馬克裝置運(yùn)行過(guò)程中，偏濾器起著至關(guān)重要的作用。它負(fù)責(zé)控制雜質(zhì)、氫再循環(huán)和排灰，是維持等離子體穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一。然而，隨著托卡馬克朝著高功率、長(zhǎng)脈沖方向發(fā)展，偏濾器靶板面臨著巨大的挑戰(zhàn)。中心高性能等離子體排出的大量熱和粒子會(huì)穿過(guò)閉合磁面，沿磁力線最終到達(dá)偏濾器靶板，使得靶板承受極高的熱負(fù)荷。這種極高的熱負(fù)荷會(huì)引發(fā)等離子體與壁的強(qiáng)烈相互作用，導(dǎo)致靶板材料的嚴(yán)重腐蝕、濺射，進(jìn)而產(chǎn)生雜質(zhì)，這些雜質(zhì)一旦進(jìn)入主等離子體，將影響聚變等離子體的品質(zhì)，增加穩(wěn)定控制等離子體的難度，甚至可能導(dǎo)致等離子體破裂，嚴(yán)重威脅裝置的安全運(yùn)行。因此，有效控制偏濾器靶板的熱負(fù)荷，成為當(dāng)前磁約束聚變裝置及未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。等離子體脫靶被認(rèn)為是解決偏濾器靶板高熱負(fù)荷問(wèn)題最有前景的方案。當(dāng)?shù)入x子體處于脫靶狀態(tài)時(shí)，增強(qiáng)的原子分子過(guò)程會(huì)使偏濾器區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量損失，從而降低靶板表面的等離子體溫度，有效減少熱沉積和材料腐蝕。然而，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的脫靶運(yùn)行并非易事，尤其是在長(zhǎng)脈沖H模運(yùn)行下，國(guó)際上一些主流托卡馬克裝置一直難以驗(yàn)證穩(wěn)定脫靶模式。對(duì)于未來(lái)聚變堆而言，如何在保證中心高性能等離子體運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的偏濾器脫靶，是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。脫靶狀態(tài)下，偏濾器區(qū)域粒子特別是雜質(zhì)返流進(jìn)入主等離子體的問(wèn)題也需要深入研究和有效控制，以確保芯部等離子體的約束性能不受影響。對(duì)EAST輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的科學(xué)價(jià)值。從現(xiàn)實(shí)意義來(lái)看，它為解決未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的關(guān)鍵問(wèn)題提供了重要的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)，有助于推動(dòng)核聚變能從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，為人類(lèi)早日實(shí)現(xiàn)清潔能源的大規(guī)模利用奠定基礎(chǔ)。從科學(xué)價(jià)值層面講，深入研究脫靶機(jī)理和靶板熱負(fù)荷控制方法，能夠加深我們對(duì)等離子體物理過(guò)程的理解，拓展磁約束聚變領(lǐng)域的知識(shí)邊界，為相關(guān)理論的發(fā)展和完善提供有力支撐。這一研究也將促進(jìn)EAST裝置性能的進(jìn)一步提升，鞏固其在國(guó)際磁約束聚變研究中的領(lǐng)先地位，為國(guó)際合作研究提供更多的科學(xué)成果和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)際上，眾多托卡馬克裝置都對(duì)輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制展開(kāi)了深入研究。美國(guó)的DIII-D裝置在偏濾器脫靶與高性能等離子體兼容集成方面取得了顯著成果。2018年，中美EAST/DIII-D聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用封閉偏濾器下的雜質(zhì)注入脫靶控制，以及高極向比壓運(yùn)行模式下雙輸運(yùn)壘帶來(lái)的約束增強(qiáng)，在DIII-D裝置上實(shí)現(xiàn)了高比壓高參數(shù)芯部等離子體與偏濾器全脫靶狀態(tài)的有效兼容集成，等離子體歸一化比壓達(dá)到3(βN~3)，能量約束因子比普通高約束模式高50%(H98~1.5)?？蒲腥藛T通過(guò)發(fā)展的主動(dòng)反饋系統(tǒng)優(yōu)化雜質(zhì)注入量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高比壓等離子體下的偏濾器脫靶的主動(dòng)控制，獲得了低熱流和粒子流的偏濾器等離子體，有效減緩了高性能等離子體與壁的強(qiáng)烈相互作用。他們還結(jié)合理論模擬揭示了偏濾器脫靶、邊界輸運(yùn)壘和內(nèi)部輸運(yùn)壘三者之間相互作用的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)偏濾器完全脫靶減弱了邊界輸運(yùn)壘，但增強(qiáng)了遠(yuǎn)軸區(qū)域的內(nèi)部輸運(yùn)壘，這種由脫靶引起的雙輸運(yùn)壘的自組織協(xié)同作用，改善了芯部與邊界的兼容性，帶來(lái)了能量約束的凈增益。德國(guó)的ASDEX-Upgrade裝置在偏濾器熱負(fù)荷控制研究方面也有重要進(jìn)展。該裝置通過(guò)外加共振磁擾動(dòng)（RMP）來(lái)抑制邊界局域模（ELM），從而降低偏濾器靶板熱負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在充氣或彈丸注入形成的高再循環(huán)，以及在雜質(zhì)注入形成的輻射偏濾器條件下，RMP能夠維持ELM抑制并有效降低偏濾器靶板穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷。ASDEX-Upgrade裝置還對(duì)不同雜質(zhì)注入對(duì)偏濾器行為的影響進(jìn)行了研究，為輻射偏濾器的運(yùn)行提供了重要參考。日本的JT-60U裝置在等離子體約束和偏濾器物理研究方面處于國(guó)際前列。通過(guò)對(duì)偏濾器位形的優(yōu)化和雜質(zhì)注入的研究，JT-60U裝置在降低靶板熱負(fù)荷和提高等離子體約束性能方面取得了一定成果。該裝置研究了不同雜質(zhì)氣體注入對(duì)偏濾器等離子體參數(shù)和熱負(fù)荷分布的影響，發(fā)現(xiàn)合適的雜質(zhì)注入可以有效降低靶板熱流，同時(shí)保持較好的等離子體約束性能。JT-60U裝置還開(kāi)展了對(duì)偏濾器脫靶狀態(tài)下等離子體行為的研究，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脫靶運(yùn)行提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。國(guó)內(nèi)方面，EAST裝置在輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制研究上取得了一系列具有國(guó)際影響力的成果。2018年，EAST團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了輻射功率主動(dòng)反饋控制，在此基礎(chǔ)上，近期將偏濾器探針診斷數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)反饋控制信號(hào)，通過(guò)偏濾器區(qū)域注入微量雜質(zhì)氣體或提升主等離子體密度，分別實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定重復(fù)的H模脫靶運(yùn)行及其主動(dòng)控制，發(fā)展出了多種主動(dòng)反饋控制H模脫靶的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)較高的加熱功率，特別是射頻波加熱，提升了等離子體的電子溫度，進(jìn)而提高了偏濾器脫靶的閾值。通過(guò)對(duì)比不同縱場(chǎng)方向?qū)嶒?yàn)結(jié)果，揭示了邊界漂移是影響偏濾器脫靶不對(duì)稱(chēng)性的潛在機(jī)制。結(jié)合漂移效應(yīng)、優(yōu)化偏濾器放電位形，并配合低溫泵抽氣和壁吸氣能力，實(shí)現(xiàn)了粒子控制和雜質(zhì)排除，進(jìn)而利用極少量雜質(zhì)注入和快速響應(yīng)的方法，提高等離子體及偏濾器區(qū)域的輻射功率，在有效降低偏濾器靶板熱流及溫度的同時(shí)，獲得了穩(wěn)定H模脫靶運(yùn)行，等離子體儲(chǔ)能及約束性能始終維持在較高水平，顯現(xiàn)出非常好的芯部和邊界兼容性。EAST團(tuán)隊(duì)還利用SOLPS大型模擬程序與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)影響EAST偏濾器脫靶閾值的可能因素開(kāi)展了系統(tǒng)的模擬研究。模擬發(fā)現(xiàn)提升偏濾器的封閉性有助于將中性粒子局域在偏濾器區(qū)域，提升偏濾器功率耗散，降低脫靶閾值。隨著進(jìn)入刮削層能流(PSOL)的增強(qiáng)，偏濾器脫靶閾值隨之升高，與PSOL5/7存在線性關(guān)系。模擬研究還指出隨著碳雜質(zhì)濃度的升高，脫靶閾值明顯降低，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)芯部的碳雜質(zhì)濃度也會(huì)增加，可能會(huì)影響芯部等離子體的約束性能。副研究員楊鐘時(shí)等利用SOLPS-ITER專(zhuān)門(mén)針對(duì)EAST實(shí)驗(yàn)中使用的氖和氬雜質(zhì)注入的輻射偏濾器行為開(kāi)展了系統(tǒng)的模擬研究，并與輻射偏濾器物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，為EAST物理實(shí)驗(yàn)提供了重要參考。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在脫靶物理機(jī)制方面，雖然對(duì)一些影響因素有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)于脫靶過(guò)程中復(fù)雜的等離子體物理過(guò)程，如中性粒子與等離子體的相互作用、雜質(zhì)的輸運(yùn)和分布等，還需要更深入的研究。在實(shí)驗(yàn)方面，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是在特定裝置參數(shù)和運(yùn)行條件下進(jìn)行的，不同裝置之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏系統(tǒng)性的對(duì)比和分析，難以建立統(tǒng)一的理論模型。在控制技術(shù)方面，現(xiàn)有的脫靶控制方法和熱負(fù)荷控制策略還不夠成熟和穩(wěn)定，難以滿(mǎn)足未來(lái)聚變堆長(zhǎng)時(shí)間、高功率運(yùn)行的要求。在雜質(zhì)注入對(duì)芯部等離子體約束性能的影響方面，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到雜質(zhì)濃度增加可能帶來(lái)的負(fù)面影響，但如何在有效降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，最大限度地減少雜質(zhì)對(duì)芯部等離子體的不利影響，還需要進(jìn)一步探索和研究。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過(guò)對(duì)EAST輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制實(shí)驗(yàn)的深入分析，揭示脫靶物理機(jī)制，探索有效的靶板熱負(fù)荷控制方法，為未來(lái)聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容如下：深入探究偏濾器脫靶原理與物理機(jī)制：從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層面，全面剖析偏濾器脫靶過(guò)程中涉及的原子分子過(guò)程、中性粒子與等離子體的相互作用、雜質(zhì)的輸運(yùn)與分布等復(fù)雜物理過(guò)程。利用先進(jìn)的診斷技術(shù)，精確測(cè)量脫靶狀態(tài)下偏濾器區(qū)域的等離子體參數(shù)，如電子溫度、離子溫度、密度分布等，并結(jié)合數(shù)值模擬，建立準(zhǔn)確的脫靶物理模型，深入理解脫靶的觸發(fā)條件、發(fā)展過(guò)程以及維持機(jī)制。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，提升實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性與可靠性：針對(duì)EAST裝置的特點(diǎn)，優(yōu)化現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案，引入新的診斷手段和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高對(duì)等離子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷的測(cè)量精度。設(shè)計(jì)并開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，考察不同實(shí)驗(yàn)條件，如加熱功率、等離子體密度、雜質(zhì)種類(lèi)及注入量等對(duì)偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷的影響，獲取全面、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。全面分析影響偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷的因素：綜合考慮等離子體參數(shù)、裝置運(yùn)行條件、雜質(zhì)特性等多方面因素，系統(tǒng)分析它們對(duì)偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷的影響規(guī)律。研究加熱功率與偏濾器脫靶閾值之間的關(guān)系，探索如何通過(guò)調(diào)整加熱方式和功率分布，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高效的脫靶運(yùn)行。分析等離子體密度對(duì)靶板熱負(fù)荷的影響機(jī)制，確定最佳的等離子體密度范圍，以降低靶板熱負(fù)荷，同時(shí)維持良好的等離子體約束性能。深入研究不同雜質(zhì)種類(lèi)和注入量對(duì)脫靶效果和靶板熱負(fù)荷的影響，尋找最優(yōu)的雜質(zhì)注入策略，在有效降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，最大限度減少雜質(zhì)對(duì)芯部等離子體的不利影響。開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的偏濾器靶板熱負(fù)荷控制策略與技術(shù)：基于對(duì)脫靶原理和影響因素的深入理解，開(kāi)發(fā)新型的偏濾器靶板熱負(fù)荷控制策略和技術(shù)。探索主動(dòng)反饋控制技術(shù)在偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫靶狀態(tài)和靶板熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精確調(diào)控。研究通過(guò)優(yōu)化偏濾器位形、增強(qiáng)偏濾器封閉性等手段，降低靶板熱負(fù)荷的可行性和有效性。結(jié)合材料科學(xué)的發(fā)展，探索新型靶板材料和冷卻技術(shù)，提高靶板的熱承載能力和散熱效率。二、EAST輻射偏濾器及實(shí)驗(yàn)原理2.1EAST裝置簡(jiǎn)介EAST全稱(chēng)為ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak，即先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，是中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)、研制并擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它是世界上首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克，也是目前國(guó)際上唯一具備與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）類(lèi)似加熱方式和偏濾器結(jié)構(gòu)的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置。EAST裝置的主體結(jié)構(gòu)主要由真空室、超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、偏濾器系統(tǒng)以及診斷系統(tǒng)等部分組成。真空室是等離子體約束和反應(yīng)的空間，采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足高真空、高強(qiáng)度和良好的電磁兼容性要求。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是EAST裝置的核心部件之一，它由16個(gè)縱場(chǎng)（TF）線圈、6個(gè)極向場(chǎng)（PF）線圈和6個(gè)中央螺線管（CS）線圈組成，所有磁體均選用鈮鈦合金（NbTi）作為超導(dǎo)材料，并采用導(dǎo)管內(nèi)電纜（CICC）技術(shù)，以提供高工作電流和足夠的抗交流損耗能力。這種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，用于約束等離子體，使其保持在高溫、高密度的狀態(tài)下進(jìn)行核聚變反應(yīng)。加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則為等離子體提供能量和驅(qū)動(dòng)電流，主要包括離子回旋共振加熱（ICRH）、電子回旋共振加熱（ECRH）、中性束流注入（NBI）和低雜波電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）等多種加熱方式，總功率達(dá)到34MW。這些加熱方式的靈活組合，能夠滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)等離子體加熱和電流驅(qū)動(dòng)的需求，促進(jìn)高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。偏濾器系統(tǒng)是EAST裝置中用于控制雜質(zhì)、氫再循環(huán)和排灰的關(guān)鍵部件，對(duì)于維持等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行和降低靶板熱負(fù)荷起著至關(guān)重要的作用。EAST裝置先后使用了三代偏濾器，第一代是完全主動(dòng)冷卻的摻雜石墨面向等離子體組件（PFC）和石墨偏濾器，其連續(xù)熱排出能力為2MW?m?2；第二代是全鎢偏濾器，熱流處理能力高達(dá)10MW?m?2；隨著實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展，為了滿(mǎn)足未來(lái)更高熱負(fù)荷的需求，EAST采用了20MW?m?2超級(jí)蒸發(fā)冷卻（hypervapotron）結(jié)構(gòu)的平板（flat-tile）W/Cu偏濾器，該部件能夠承受1000次20MW?m?2的高熱負(fù)荷輻照，表面溫度約為900℃，遠(yuǎn)低于ITER的結(jié)構(gòu)要求。診斷系統(tǒng)則是EAST裝置獲取等離子體參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)信息的重要手段，涵蓋了多種先進(jìn)的診斷技術(shù)，如微波診斷、激光診斷、粒子診斷、光譜診斷等，能夠?qū)Φ入x子體的密度、溫度、磁場(chǎng)、電流等參數(shù)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)量。在磁約束聚變研究領(lǐng)域，EAST裝置具有不可替代的重要性。它為研究人員提供了一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠開(kāi)展一系列與核聚變相關(guān)的前沿物理研究。通過(guò)在EAST裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，科研人員可以深入探索等離子體的約束、加熱、電流驅(qū)動(dòng)、不穩(wěn)定性控制等關(guān)鍵物理問(wèn)題，為ITER的運(yùn)行和未來(lái)聚變堆的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)驗(yàn)證。EAST在非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)、約束改善和維持、邊界不穩(wěn)定性控制等方面取得的突破性進(jìn)展，不僅推動(dòng)了磁約束聚變領(lǐng)域的科學(xué)研究，也為國(guó)際合作提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。它的成功運(yùn)行和不斷發(fā)展，標(biāo)志著中國(guó)在磁約束聚變研究領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)核聚變能源的利用做出了重要貢獻(xiàn)。2.2輻射偏濾器工作原理輻射偏濾器是一種用于托卡馬克裝置中控制偏濾器靶板熱負(fù)荷的關(guān)鍵技術(shù)，其核心原理是通過(guò)在偏濾器區(qū)域引入雜質(zhì)，利用雜質(zhì)的輻射特性來(lái)耗散等離子體的能量，從而降低靶板表面的熱負(fù)荷。在托卡馬克運(yùn)行過(guò)程中，中心高性能等離子體排出的熱和粒子沿磁力線到達(dá)偏濾器靶板，導(dǎo)致靶板承受極高的熱負(fù)荷。輻射偏濾器的工作機(jī)制主要基于以下幾個(gè)方面：雜質(zhì)注入與輻射能量損失：當(dāng)在偏濾器區(qū)域注入特定的雜質(zhì)氣體，如氬（Ar）、氖（Ne）等，這些雜質(zhì)原子會(huì)被高溫等離子體電離，形成雜質(zhì)離子。雜質(zhì)離子在等離子體中會(huì)經(jīng)歷一系列的原子分子過(guò)程，其中最重要的是輻射躍遷。處于激發(fā)態(tài)的雜質(zhì)離子會(huì)通過(guò)輻射光子的方式回到低能態(tài)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)釋放出大量的能量。這些輻射出的能量以光子的形式離開(kāi)等離子體，從而實(shí)現(xiàn)了等離子體能量的有效耗散。根據(jù)玻爾茲曼分布和輻射躍遷理論，雜質(zhì)離子的輻射功率與雜質(zhì)濃度、電子溫度和密度等參數(shù)密切相關(guān)。在一定的等離子體條件下，合適的雜質(zhì)注入量可以使輻射功率顯著增加，從而有效降低到達(dá)靶板的熱流。增強(qiáng)的原子分子過(guò)程與能量損失：除了雜質(zhì)的輻射躍遷，偏濾器脫靶狀態(tài)下，增強(qiáng)的原子分子過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的能量損失。在脫靶狀態(tài)下，偏濾器區(qū)域的等離子體密度和溫度分布發(fā)生變化，中性粒子的密度增加，等離子體與中性粒子之間的相互作用增強(qiáng)。這些相互作用包括電荷交換、彈性碰撞和非彈性碰撞等。電荷交換過(guò)程中，等離子體中的離子與中性粒子交換電荷，使得離子的能量降低，從而實(shí)現(xiàn)能量損失。彈性碰撞和非彈性碰撞則會(huì)導(dǎo)致粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)移和激發(fā)，進(jìn)一步增加能量損失。這些原子分子過(guò)程在脫靶狀態(tài)下的增強(qiáng)，使得偏濾器區(qū)域成為一個(gè)高效的能量耗散區(qū)域，有效降低了靶板表面的等離子體溫度和熱負(fù)荷。降低靶板表面等離子體溫度：通過(guò)雜質(zhì)的輻射和增強(qiáng)的原子分子過(guò)程，偏濾器區(qū)域的能量大量耗散，使得到達(dá)靶板表面的等離子體能量大幅減少，從而降低了靶板表面的等離子體溫度。較低的等離子體溫度可以有效減少靶板材料的濺射和腐蝕，延長(zhǎng)靶板的使用壽命。等離子體溫度的降低也有助于減少雜質(zhì)從靶板表面的釋放，避免雜質(zhì)進(jìn)入主等離子體，從而維持良好的等離子體約束性能。根據(jù)熱傳導(dǎo)和能量守恒原理，等離子體溫度的降低會(huì)導(dǎo)致熱流密度的減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶板熱負(fù)荷的有效控制。維持等離子體與壁的相互作用平衡：輻射偏濾器的工作不僅可以降低靶板熱負(fù)荷，還能在一定程度上維持等離子體與壁的相互作用平衡。在托卡馬克運(yùn)行中，等離子體與壁的相互作用會(huì)影響等離子體的性能和裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)控制雜質(zhì)注入和偏濾器的運(yùn)行狀態(tài)，可以調(diào)節(jié)等離子體與壁之間的粒子和能量交換，使得等離子體在保持良好約束性能的同時(shí)，減少對(duì)壁材料的損傷。合理的雜質(zhì)注入可以控制氫再循環(huán)，避免過(guò)多的氫粒子返回等離子體，影響等離子體的純度和性能。通過(guò)優(yōu)化偏濾器的位形和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步改善等離子體與壁的相互作用，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高效的托卡馬克運(yùn)行。2.3脫靶現(xiàn)象及原理脫靶現(xiàn)象是指在托卡馬克裝置中，偏濾器區(qū)域的等離子體與靶板之間的相互作用狀態(tài)發(fā)生改變，使得等離子體不再直接轟擊靶板，而是在離靶板一定距離處就發(fā)生了強(qiáng)烈的能量和粒子損失，從而降低了靶板表面所承受的熱負(fù)荷和粒子通量。當(dāng)?shù)入x子體處于脫靶狀態(tài)時(shí)，偏濾器區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)出一系列明顯的特征。從等離子體參數(shù)的變化來(lái)看，電子溫度和離子溫度會(huì)顯著降低，尤其是在靠近靶板的區(qū)域，溫度可降至幾十電子伏特甚至更低。等離子體密度則會(huì)增加，特別是中性粒子的密度，這是由于增強(qiáng)的原子分子過(guò)程導(dǎo)致更多的中性粒子產(chǎn)生和滯留。在偏濾器的光學(xué)診斷中，可以觀察到強(qiáng)烈的輻射信號(hào)，這是雜質(zhì)離子輻射躍遷以及原子分子過(guò)程增強(qiáng)的直接體現(xiàn)。脫靶狀態(tài)下，靶板表面的熱流密度和粒子流密度會(huì)大幅下降，有效減輕了靶板的負(fù)擔(dān)。脫靶現(xiàn)象對(duì)靶板熱負(fù)荷控制具有至關(guān)重要的意義。過(guò)高的靶板熱負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致靶板材料的嚴(yán)重濺射、腐蝕，甚至熔化，從而影響偏濾器的正常運(yùn)行和壽命。脫靶能夠有效降低靶板表面的等離子體溫度和熱流密度，減少材料的損傷，提高偏濾器的可靠性和穩(wěn)定性。脫靶還可以減少雜質(zhì)從靶板表面的釋放，避免雜質(zhì)進(jìn)入主等離子體，維持良好的等離子體約束性能。在未來(lái)的聚變堆中，穩(wěn)定的脫靶運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)高功率、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的關(guān)鍵之一，對(duì)于保障聚變堆的安全、高效運(yùn)行具有不可替代的作用。脫靶的物理原理涉及多個(gè)復(fù)雜的等離子體物理過(guò)程，主要包括以下幾個(gè)方面：原子分子過(guò)程增強(qiáng)：在偏濾器脫靶狀態(tài)下，中性粒子與等離子體之間的相互作用顯著增強(qiáng)，各種原子分子過(guò)程成為能量損失的重要途徑。電荷交換過(guò)程中，等離子體中的離子與中性粒子交換電荷，使得離子的能量降低，以中性粒子的形式離開(kāi)等離子體，實(shí)現(xiàn)能量損失。彈性碰撞和非彈性碰撞會(huì)導(dǎo)致粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)移和激發(fā)，進(jìn)一步增加能量損失。這些原子分子過(guò)程在脫靶狀態(tài)下的增強(qiáng)，使得偏濾器區(qū)域成為一個(gè)高效的能量耗散區(qū)域。雜質(zhì)輻射能量損失：通過(guò)在偏濾器區(qū)域注入雜質(zhì)，如氬（Ar）、氖（Ne）等，雜質(zhì)原子被高溫等離子體電離后，會(huì)通過(guò)輻射躍遷釋放出大量能量。雜質(zhì)離子在不同能級(jí)之間躍遷時(shí)，會(huì)輻射出光子，這些光子攜帶能量離開(kāi)等離子體，從而實(shí)現(xiàn)等離子體能量的有效耗散。雜質(zhì)的輻射功率與雜質(zhì)濃度、電子溫度和密度等參數(shù)密切相關(guān)，合適的雜質(zhì)注入量和等離子體條件可以使輻射功率顯著增加，有效降低到達(dá)靶板的熱流。中性粒子的行為：脫靶狀態(tài)下，中性粒子的產(chǎn)生、輸運(yùn)和再循環(huán)過(guò)程發(fā)生變化。中性粒子在偏濾器區(qū)域的密度增加，它們?cè)诘入x子體中穿行時(shí)，與等離子體粒子發(fā)生頻繁的相互作用。部分中性粒子會(huì)被電離，重新成為等離子體的一部分，而另一部分則會(huì)離開(kāi)偏濾器區(qū)域。中性粒子的這種行為不僅影響了等離子體的能量和粒子平衡，也對(duì)脫靶的維持和發(fā)展起到重要作用。中性粒子的再循環(huán)會(huì)增加偏濾器區(qū)域的粒子密度，進(jìn)一步促進(jìn)原子分子過(guò)程的增強(qiáng)，維持脫靶狀態(tài)。磁場(chǎng)位形的影響：偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)位形對(duì)脫靶過(guò)程有著重要影響。磁場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響它們之間的相互作用。合適的磁場(chǎng)位形可以促進(jìn)中性粒子在偏濾器區(qū)域的滯留和局域化，增強(qiáng)原子分子過(guò)程和雜質(zhì)的輻射效果。通過(guò)優(yōu)化偏濾器的磁場(chǎng)位形，可以提高脫靶的穩(wěn)定性和效率，實(shí)現(xiàn)更有效的靶板熱負(fù)荷控制。三、EAST輻射偏濾器脫靶實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)裝置與方法EAST實(shí)驗(yàn)裝置作為開(kāi)展輻射偏濾器脫靶研究的關(guān)鍵平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能多樣。真空室是等離子體約束和反應(yīng)的核心空間，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備高真空、高強(qiáng)度和良好的電磁兼容性，為等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行提供了基礎(chǔ)條件。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由16個(gè)縱場(chǎng)（TF）線圈、6個(gè)極向場(chǎng)（PF）線圈和6個(gè)中央螺線管（CS）線圈組成，所有磁體均選用鈮鈦合金（NbTi）作為超導(dǎo)材料，并采用導(dǎo)管內(nèi)電纜（CICC）技術(shù)，能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，將高溫等離子體約束在特定區(qū)域，避免其與真空室壁直接接觸。加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則為等離子體提供能量和驅(qū)動(dòng)電流，包括離子回旋共振加熱（ICRH）、電子回旋共振加熱（ECRH）、中性束流注入（NBI）和低雜波電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）等多種加熱方式，總功率達(dá)到34MW，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的有效加熱和電流驅(qū)動(dòng)。偏濾器系統(tǒng)在EAST實(shí)驗(yàn)裝置中占據(jù)重要地位，是實(shí)現(xiàn)輻射偏濾器脫靶實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件。EAST先后采用了三代偏濾器，第一代是完全主動(dòng)冷卻的摻雜石墨面向等離子體組件（PFC）和石墨偏濾器，連續(xù)熱排出能力為2MW?m?2；第二代是全鎢偏濾器，熱流處理能力提升至10MW?m?2；當(dāng)前使用的是20MW?m?2超級(jí)蒸發(fā)冷卻（hypervapotron）結(jié)構(gòu)的平板（flat-tile）W/Cu偏濾器，該偏濾器能夠承受1000次20MW?m?2的高熱負(fù)荷輻照，表面溫度約為900℃，遠(yuǎn)低于ITER的結(jié)構(gòu)要求，為高功率長(zhǎng)脈沖實(shí)驗(yàn)提供了可靠保障。診斷系統(tǒng)是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、了解等離子體參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的重要手段，EAST的診斷系統(tǒng)涵蓋了多種先進(jìn)技術(shù)。微波診斷利用微波與等離子體的相互作用，測(cè)量等離子體的密度、溫度等參數(shù)；激光診斷通過(guò)發(fā)射激光束，分析激光與等離子體相互作用后的散射光、熒光等信號(hào)，獲取等離子體的特性信息；粒子診斷則通過(guò)探測(cè)等離子體中的粒子，如離子、電子等，了解其能量分布、密度等參數(shù)；光譜診斷利用等離子體發(fā)射的光譜，分析其中的元素組成、離子化狀態(tài)等信息。這些診斷技術(shù)相互配合，能夠?qū)Φ入x子體的密度、溫度、磁場(chǎng)、電流等參數(shù)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)量，為輻射偏濾器脫靶實(shí)驗(yàn)提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。脫靶實(shí)驗(yàn)的具體操作流程嚴(yán)格且復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要對(duì)裝置進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)真空室進(jìn)行嚴(yán)格的抽真空處理，使其達(dá)到超高真空狀態(tài)，減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。對(duì)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷和勵(lì)磁，使其達(dá)到設(shè)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)置加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，準(zhǔn)備為等離子體提供能量和驅(qū)動(dòng)電流。在等離子體放電階段，通過(guò)歐姆加熱或輔助加熱方式，將等離子體加熱到所需溫度，并維持一定的等離子體電流。利用偏濾器充氣系統(tǒng)，按照預(yù)定的進(jìn)氣模式和速率，向偏濾器區(qū)域注入特定的雜質(zhì)氣體，如氬（Ar）、氖（Ne）等。在注入雜質(zhì)氣體的過(guò)程中，密切監(jiān)測(cè)等離子體的參數(shù)變化，通過(guò)診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取等離子體的密度、溫度、磁場(chǎng)等信息。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用了多種測(cè)量方法來(lái)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。利用偏濾器朗繆爾探針測(cè)量偏濾器區(qū)域的等離子體密度、電子溫度、離子飽和流等參數(shù)。朗繆爾探針通過(guò)測(cè)量等離子體中的電流-電壓特性，根據(jù)相關(guān)理論模型計(jì)算出等離子體參數(shù)。通過(guò)輻射量熱診斷測(cè)量偏濾器區(qū)域的輻射功率，了解能量耗散情況。輻射量熱診斷利用量熱計(jì)測(cè)量輻射能量，通過(guò)分析輻射能量的變化，研究雜質(zhì)輻射和原子分子過(guò)程對(duì)能量耗散的影響。使用雜質(zhì)光譜系統(tǒng)分析雜質(zhì)的種類(lèi)、濃度和分布，掌握雜質(zhì)在等離子體中的行為。雜質(zhì)光譜系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量雜質(zhì)發(fā)射的光譜線強(qiáng)度和波長(zhǎng)，根據(jù)光譜學(xué)原理確定雜質(zhì)的相關(guān)信息。還結(jié)合其他常用診斷系統(tǒng)，如微波診斷、激光診斷等，對(duì)等離子體的整體參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)量，以深入研究脫靶過(guò)程中的物理現(xiàn)象。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在EAST輻射偏濾器脫靶實(shí)驗(yàn)中，獲得了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為深入理解脫靶過(guò)程和控制靶板熱負(fù)荷提供了重要依據(jù)。從粒子流數(shù)據(jù)來(lái)看，在注入雜質(zhì)氣體后，偏濾器區(qū)域的粒子流分布發(fā)生了顯著變化。以氬氣注入實(shí)驗(yàn)為例，在注入氬氣前，偏濾器靶板附近的離子飽和流較高，表明有大量的粒子直接轟擊靶板。隨著氬氣的注入，離子飽和流逐漸下降，當(dāng)充氣脈寬達(dá)到一定程度時(shí)，下偏濾器內(nèi)靶板離子飽和流進(jìn)一步降低，這意味著到達(dá)靶板的粒子通量減少，脫靶現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)充氣脈寬達(dá)到160ms后，上偏濾器外靶板和下偏濾器內(nèi)靶板發(fā)生等離子體脫靶，此時(shí)離子飽和流降低到較低水平，有效減少了靶板的粒子侵蝕。熱流分布數(shù)據(jù)同樣揭示了脫靶實(shí)驗(yàn)的重要現(xiàn)象。在未注入雜質(zhì)氣體時(shí)，靶板表面承受著較高的熱流密度，這會(huì)導(dǎo)致靶板溫度急劇升高，對(duì)靶板材料的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。注入雜質(zhì)氣體后，熱流密度明顯降低。紅外相機(jī)測(cè)量結(jié)果顯示，氬氣注入后靶板的功率沉積有所下降，表明到達(dá)靶板的熱流減少，靶板熱負(fù)荷得到有效降低。在某些實(shí)驗(yàn)條件下，靶板峰值熱流降低了50%-70%，這對(duì)于保護(hù)靶板、延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。從輻射功率數(shù)據(jù)來(lái)看，注入雜質(zhì)氣體后，偏濾器區(qū)域的輻射功率顯著增加。這是因?yàn)殡s質(zhì)原子被高溫等離子體電離后，通過(guò)輻射躍遷釋放出大量能量，從而實(shí)現(xiàn)了等離子體能量的有效耗散。在氬氣注入實(shí)驗(yàn)中，適量Ar氣注入會(huì)導(dǎo)致輻射明顯上升，這與理論預(yù)期相符。輻射功率的增加意味著更多的能量在偏濾器區(qū)域被輻射出去，減少了到達(dá)靶板的能量，進(jìn)一步驗(yàn)證了輻射偏濾器在降低靶板熱負(fù)荷方面的有效性。對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，可以發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)注入量與脫靶效果和靶板熱負(fù)荷之間存在密切關(guān)系。當(dāng)雜質(zhì)注入量較小時(shí)，雖然會(huì)引起偏濾器區(qū)域等離子體參數(shù)的一些變化，但脫靶效果不明顯，靶板熱負(fù)荷降低幅度有限。隨著雜質(zhì)注入量的增加，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，雜質(zhì)輻射能量損失增大，脫靶效果逐漸顯著，靶板熱負(fù)荷明顯降低。當(dāng)雜質(zhì)注入量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致芯部等離子體中雜質(zhì)濃度過(guò)高，影響芯部等離子體的約束性能，因此需要找到一個(gè)合適的雜質(zhì)注入量，在有效降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，確保芯部等離子體的良好性能。加熱功率對(duì)偏濾器脫靶也有重要影響。較高的加熱功率，特別是射頻波加熱，提升了等離子體的電子溫度，進(jìn)而提高了偏濾器脫靶的閾值。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱功率增加時(shí)，需要注入更多的雜質(zhì)氣體才能實(shí)現(xiàn)脫靶，這是因?yàn)檩^高的電子溫度使得等離子體的能量更高，需要更強(qiáng)的能量耗散機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)脫靶。加熱功率的分布也會(huì)影響脫靶效果，不同的加熱方式和功率分布會(huì)導(dǎo)致等離子體的溫度和密度分布不同，從而影響原子分子過(guò)程和雜質(zhì)的輻射效果，進(jìn)而影響脫靶的穩(wěn)定性和效率。等離子體密度對(duì)靶板熱負(fù)荷和脫靶過(guò)程也有顯著影響。隨著等離子體密度的增加，偏濾器區(qū)域的粒子密度也相應(yīng)增加，這會(huì)增強(qiáng)原子分子過(guò)程，促進(jìn)能量損失，有利于實(shí)現(xiàn)脫靶。過(guò)高的等離子體密度可能會(huì)導(dǎo)致等離子體約束性能下降，影響核聚變反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中需要優(yōu)化等離子體密度，找到一個(gè)既能實(shí)現(xiàn)有效脫靶，又能維持良好等離子體約束性能的密度范圍。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整等離子體密度，結(jié)合雜質(zhì)注入，實(shí)現(xiàn)了靶板熱負(fù)荷的有效降低和等離子體約束性能的保持。3.3不同雜質(zhì)注入對(duì)脫靶的影響在EAST輻射偏濾器脫靶實(shí)驗(yàn)中，研究不同雜質(zhì)注入對(duì)脫靶的影響具有重要意義，這有助于深入理解脫靶物理機(jī)制，為優(yōu)化靶板熱負(fù)荷控制策略提供科學(xué)依據(jù)。本部分將詳細(xì)對(duì)比Ar、Ne等不同雜質(zhì)注入時(shí)的脫靶效果，并分析雜質(zhì)種類(lèi)、注入量等因素對(duì)脫靶的具體影響。3.3.1Ar注入的脫靶效果在EAST的實(shí)驗(yàn)中，Ar作為一種常用的雜質(zhì)氣體，其注入對(duì)脫靶效果產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)向偏濾器區(qū)域注入Ar時(shí)，偏濾器靶板附近的等離子體參數(shù)發(fā)生明顯變化。注入Ar后，靶板附近等離子體密度上升，這是由于Ar原子的加入增加了粒子數(shù)密度。電子溫度和離子溫度下降，這是因?yàn)锳r離子的輻射躍遷以及增強(qiáng)的原子分子過(guò)程導(dǎo)致了能量的大量耗散。在一些實(shí)驗(yàn)中，氬氣注入后，電子溫度從注入前的幾百電子伏特降低到幾十電子伏特，離子溫度也有相應(yīng)幅度的下降。熱流逐步降低，有效減少了靶板的熱負(fù)荷。從脫靶狀態(tài)的形成來(lái)看，隨著Ar注入量的增加，脫靶效果逐漸明顯。當(dāng)注入量達(dá)到一定程度時(shí)，偏濾器靶板的離子飽和流顯著下降，表明到達(dá)靶板的粒子通量減少，等離子體開(kāi)始脫靶。在某些實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)Ar氣充氣脈寬達(dá)到160ms后，上偏濾器外靶板和下偏濾器內(nèi)靶板發(fā)生等離子體脫靶。這一現(xiàn)象表明，適量的Ar注入能夠有效地改變等離子體與靶板之間的相互作用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脫靶，從而降低靶板的熱負(fù)荷和粒子侵蝕。Ar注入還對(duì)偏濾器區(qū)域的輻射功率產(chǎn)生重要影響。注入Ar后，偏濾器區(qū)域的輻射功率顯著增加，這是因?yàn)锳r離子在高溫等離子體中通過(guò)輻射躍遷釋放出大量能量。適量Ar氣注入會(huì)導(dǎo)致輻射明顯上升，輻射功率的增加意味著更多的能量在偏濾器區(qū)域被輻射出去，減少了到達(dá)靶板的能量，進(jìn)一步驗(yàn)證了輻射偏濾器在降低靶板熱負(fù)荷方面的有效性。3.3.2Ne注入的脫靶效果Ne作為另一種重要的雜質(zhì)氣體，其注入對(duì)脫靶效果也有獨(dú)特的表現(xiàn)。在EAST實(shí)驗(yàn)中，注入Ne后，偏濾器靶板附近的等離子體參數(shù)同樣發(fā)生了變化。與Ar注入類(lèi)似，Ne注入導(dǎo)致等離子體密度上升，電子溫度和離子溫度下降。但在一些方面，Ne注入與Ar注入存在差異。在輻射效率方面，Ne注入后的輻射效率與Ar注入有所不同。有研究表明，在相同的注入量下，Ne注入后的輻射功率增加幅度相對(duì)較小，但輻射分布可能更為均勻。這可能是由于Ne和Ar的原子結(jié)構(gòu)和輻射特性不同所導(dǎo)致的。從脫靶狀態(tài)來(lái)看，Ne注入也能夠?qū)崿F(xiàn)偏濾器等離子體的脫靶。在某些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)注入適量的Ne時(shí)，偏濾器靶板的離子飽和流降低，表明等離子體脫靶。與Ar注入相比，Ne注入實(shí)現(xiàn)脫靶的條件可能略有不同。在一些情況下，Ne注入可能需要更高的注入量或者更特定的等離子體條件才能實(shí)現(xiàn)與Ar注入相似的脫靶效果。這可能與Ne的電離能、輻射躍遷概率等因素有關(guān)。Ne注入對(duì)芯部等離子體約束性能的影響也與Ar注入有所不同。研究表明，在Ar注入實(shí)現(xiàn)部分能量脫靶時(shí)，芯部約束有所下降，而對(duì)于Ne注入，芯部約束則有一個(gè)輕微的提升（~10%）。這一差異對(duì)于選擇合適的雜質(zhì)氣體進(jìn)行脫靶控制具有重要意義，需要在實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮靶板熱負(fù)荷降低和芯部等離子體約束性能保持兩個(gè)方面的因素。3.3.3雜質(zhì)種類(lèi)與注入量的影響分析雜質(zhì)種類(lèi)對(duì)脫靶效果和靶板熱負(fù)荷控制有著顯著影響。不同的雜質(zhì)氣體，由于其原子結(jié)構(gòu)、電離能、輻射特性等的差異，在注入偏濾器區(qū)域后，會(huì)導(dǎo)致不同的等離子體物理過(guò)程和脫靶效果。Ar和Ne注入后，雖然都能實(shí)現(xiàn)等離子體脫靶和降低靶板熱負(fù)荷，但在輻射效率、輻射分布以及對(duì)芯部等離子體約束性能的影響等方面存在差異。這說(shuō)明在選擇雜質(zhì)氣體時(shí)，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求和裝置條件，綜合考慮各種因素，以達(dá)到最佳的脫靶效果和靶板熱負(fù)荷控制。雜質(zhì)注入量也是影響脫靶的關(guān)鍵因素。隨著雜質(zhì)注入量的增加，脫靶效果逐漸增強(qiáng)，靶板熱負(fù)荷明顯降低。當(dāng)雜質(zhì)注入量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。過(guò)多的雜質(zhì)注入可能會(huì)導(dǎo)致芯部等離子體中雜質(zhì)濃度過(guò)高，影響芯部等離子體的約束性能。雜質(zhì)注入量過(guò)大還可能導(dǎo)致偏濾器區(qū)域的等離子體參數(shù)發(fā)生過(guò)度變化，影響等離子體的穩(wěn)定性。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，需要找到一個(gè)合適的雜質(zhì)注入量，在有效降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，確保芯部等離子體的良好性能和等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行。四、EAST輻射偏濾器靶板熱負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)制與分布特征4.1熱負(fù)荷產(chǎn)生原因在EAST裝置運(yùn)行過(guò)程中，偏濾器靶板熱負(fù)荷的產(chǎn)生主要源于高溫等離子體沖擊、粒子流傳輸以及熱流傳輸?shù)任锢磉^(guò)程，這些過(guò)程相互關(guān)聯(lián)，共同作用，對(duì)靶板的熱負(fù)荷產(chǎn)生重要影響。高溫等離子體沖擊是靶板熱負(fù)荷產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。在托卡馬克裝置中，通過(guò)強(qiáng)大的環(huán)形磁場(chǎng)將高溫等離子體約束在真空室內(nèi)，使其達(dá)到核聚變所需的高溫、高密度和長(zhǎng)時(shí)間約束條件。然而，由于等離子體的不穩(wěn)定性以及磁場(chǎng)的不均勻性，部分等離子體會(huì)脫離約束區(qū)域，沿著磁力線運(yùn)動(dòng)并最終沖擊偏濾器靶板。這些高溫等離子體攜帶巨大的能量，當(dāng)它們撞擊靶板時(shí)，能量迅速釋放，導(dǎo)致靶板表面溫度急劇升高，從而產(chǎn)生熱負(fù)荷。在EAST裝置的高約束模式（H-mode）運(yùn)行中，邊緣局域模（ELMs）的爆發(fā)會(huì)導(dǎo)致等離子體邊緣的能量和粒子快速向裝置壁噴射，其中一部分就會(huì)沖擊到偏濾器靶板上，使靶板承受額外的高熱負(fù)荷。這種高溫等離子體的沖擊不僅會(huì)產(chǎn)生熱負(fù)荷，還可能對(duì)靶板材料造成物理?yè)p傷，如濺射、侵蝕等，影響靶板的使用壽命和性能。粒子流傳輸也是導(dǎo)致靶板熱負(fù)荷產(chǎn)生的重要原因。在托卡馬克等離子體中，存在著大量的帶電粒子，如電子、離子等，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下做回旋運(yùn)動(dòng)。由于等離子體內(nèi)部存在各種物理過(guò)程，如碰撞、擴(kuò)散等，粒子會(huì)從等離子體中心區(qū)域向邊緣區(qū)域傳輸，最終到達(dá)偏濾器靶板。這些粒子流攜帶一定的能量，當(dāng)它們與靶板相互作用時(shí)，會(huì)將能量傳遞給靶板，從而產(chǎn)生熱負(fù)荷。在EAST裝置的運(yùn)行中，隨著等離子體密度的增加，到達(dá)靶板的粒子流也會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致靶板熱負(fù)荷升高。粒子流中的雜質(zhì)粒子還可能在靶板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步影響靶板的性能和熱負(fù)荷分布。熱流傳輸同樣對(duì)靶板熱負(fù)荷的產(chǎn)生起著重要作用。等離子體中的能量主要以熱的形式存在，熱流會(huì)沿著溫度梯度從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳輸。在托卡馬克裝置中，等離子體中心區(qū)域溫度極高，而偏濾器靶板溫度相對(duì)較低，因此熱流會(huì)從等離子體中心向靶板傳輸。這種熱流傳輸會(huì)導(dǎo)致靶板吸收大量的熱量，從而產(chǎn)生熱負(fù)荷。在EAST裝置中，不同的加熱方式，如中性束注入加熱、射頻波加熱等，會(huì)導(dǎo)致等離子體的溫度分布和熱流傳輸特性不同，進(jìn)而影響靶板熱負(fù)荷的大小和分布。如果熱流傳輸不均勻，還可能導(dǎo)致靶板局部過(guò)熱，加劇靶板的損壞。除了上述主要原因外，還有一些其他因素也會(huì)對(duì)靶板熱負(fù)荷產(chǎn)生影響。等離子體與壁的相互作用過(guò)程中，會(huì)發(fā)生氫再循環(huán)、雜質(zhì)產(chǎn)生等現(xiàn)象，這些都會(huì)改變等離子體的成分和能量分布，進(jìn)而影響靶板熱負(fù)荷。偏濾器的位形、磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)等也會(huì)對(duì)粒子流和熱流的傳輸路徑和分布產(chǎn)生影響，從而間接影響靶板熱負(fù)荷。在EAST裝置中，通過(guò)調(diào)整偏濾器的位形和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以改變粒子流和熱流的分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶板熱負(fù)荷的控制。4.2熱負(fù)荷分布特征研究為深入探究EAST輻射偏濾器靶板熱負(fù)荷的分布特征，本研究綜合運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬分析的方法，全面剖析熱負(fù)荷在徑向和環(huán)向上的分布規(guī)律，以及其與等離子體參數(shù)之間的緊密聯(lián)系。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，借助紅外熱像儀對(duì)偏濾器靶板的溫度場(chǎng)進(jìn)行了精確測(cè)量和詳細(xì)記錄。紅外熱像儀能夠直觀地呈現(xiàn)靶板表面的溫度分布情況，通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集和分析，可以推算出熱負(fù)荷的分布特征。利用有限元分析軟件對(duì)偏濾器靶板的熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了深入模擬和分析。有限元分析軟件能夠考慮多種因素，如靶板材料的熱物理性質(zhì)、邊界條件等，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，模擬出熱負(fù)荷在靶板內(nèi)部的傳導(dǎo)和分布情況，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了有力的理論支持。研究發(fā)現(xiàn)，熱負(fù)荷在徑向方向上呈現(xiàn)出顯著的不均勻分布，中心區(qū)域的熱負(fù)荷最高，隨著半徑的增加，熱負(fù)荷逐漸降低。這是由于中心區(qū)域受到高溫等離子體的直接沖擊，能量沉積最為集中，而邊緣區(qū)域受到的沖擊相對(duì)較弱，能量沉積較少。在同一半徑下，熱負(fù)荷在環(huán)向上的分布同樣不均勻，最大值通常出現(xiàn)在極向角為90°和270°的位置。這可能與等離子體的電流分布、粒子流量以及磁場(chǎng)位形等因素有關(guān)。在等離子體電流較大的區(qū)域，粒子的運(yùn)動(dòng)速度和能量較高，與靶板的相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致熱負(fù)荷增大。磁場(chǎng)位形的不均勻性也會(huì)影響粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得熱負(fù)荷在環(huán)向上出現(xiàn)不均勻分布。熱負(fù)荷的分布還與等離子體參數(shù)密切相關(guān)。等離子體電流的大小會(huì)直接影響粒子的能量和運(yùn)動(dòng)速度，從而影響熱負(fù)荷的大小和分布。當(dāng)?shù)入x子體電流增加時(shí)，粒子的能量增大，與靶板的相互作用增強(qiáng)，熱負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)增加。粒子流量的變化也會(huì)對(duì)熱負(fù)荷分布產(chǎn)生影響。隨著粒子流量的增加，到達(dá)靶板的粒子數(shù)量增多，能量沉積增加，熱負(fù)荷也會(huì)升高。電子溫度和離子溫度等等離子體參數(shù)也會(huì)影響熱負(fù)荷的分布。較高的電子溫度和離子溫度會(huì)導(dǎo)致粒子的能量增加，與靶板的相互作用加劇，從而使熱負(fù)荷升高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬分析，本研究揭示了EAST輻射偏濾器靶板熱負(fù)荷在徑向和環(huán)向上的分布特征，以及其與等離子體參數(shù)的關(guān)系。這些研究結(jié)果對(duì)于深入理解偏濾器靶板的熱負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)制，優(yōu)化偏濾器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，提高靶板的熱承載能力和使用壽命具有重要意義。也為進(jìn)一步研究偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。五、靶板熱負(fù)荷控制實(shí)驗(yàn)與策略5.1控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施在EAST裝置上，為有效控制靶板熱負(fù)荷，開(kāi)展了一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，主要通過(guò)調(diào)整雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形這兩種關(guān)鍵方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在雜質(zhì)注入實(shí)驗(yàn)方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心在于精確控制雜質(zhì)的種類(lèi)、注入量以及注入時(shí)機(jī)。選擇了氬（Ar）和氖（Ne）等具有不同輻射特性的雜質(zhì)氣體作為研究對(duì)象。在注入量的控制上，采用了逐步增加注入量的方式，以觀察等離子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷的變化規(guī)律。對(duì)于Ar注入實(shí)驗(yàn)，首先設(shè)定一個(gè)較低的注入量，例如初始注入脈寬為50ms，然后在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中以20ms的步長(zhǎng)逐漸增加脈寬，直至達(dá)到200ms。在每次注入后，利用偏濾器朗繆爾探針、輻射量熱診斷以及雜質(zhì)光譜系統(tǒng)等多種診斷手段，實(shí)時(shí)測(cè)量偏濾器區(qū)域的等離子體密度、電子溫度、離子飽和流、輻射功率以及雜質(zhì)濃度和分布等參數(shù)。通過(guò)分析這些參數(shù)的變化，研究Ar注入量與脫靶效果、靶板熱負(fù)荷之間的關(guān)系。當(dāng)Ar注入脈寬達(dá)到160ms時(shí)，上偏濾器外靶板和下偏濾器內(nèi)靶板發(fā)生等離子體脫靶，離子飽和流顯著降低，靶板熱負(fù)荷明顯下降。對(duì)于Ne注入實(shí)驗(yàn)，同樣采用類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于Ne與Ar的原子結(jié)構(gòu)和輻射特性不同，其注入量的調(diào)整范圍和對(duì)等離子體參數(shù)的影響也有所差異。在實(shí)驗(yàn)中，從較低的注入量開(kāi)始，如初始注入脈寬為30ms，然后以15ms的步長(zhǎng)逐漸增加，觀察等離子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ne注入也能實(shí)現(xiàn)偏濾器等離子體脫靶，但與Ar注入相比，Ne注入實(shí)現(xiàn)脫靶所需的注入量可能更高，且在相同注入量下，Ne注入后的輻射功率增加幅度相對(duì)較小，但輻射分布可能更為均勻。通過(guò)對(duì)比Ar和Ne注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入分析雜質(zhì)種類(lèi)和注入量對(duì)脫靶效果和靶板熱負(fù)荷控制的影響。在磁場(chǎng)位形調(diào)整實(shí)驗(yàn)方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圍繞著如何改變偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以影響等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而降低靶板熱負(fù)荷。利用EAST裝置的極向場(chǎng)（PF）線圈和縱場(chǎng)（TF）線圈，通過(guò)精確控制線圈電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)位形的靈活調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定不同的PF線圈電流組合，如將PF1線圈電流從初始的10kA逐步增加到20kA，同時(shí)保持其他PF線圈電流不變，觀察磁場(chǎng)位形的變化對(duì)等離子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷的影響。利用磁場(chǎng)診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力線分布等參數(shù)。通過(guò)改變磁場(chǎng)位形，研究其對(duì)中性粒子在偏濾器區(qū)域的滯留和局域化的影響，以及對(duì)原子分子過(guò)程和雜質(zhì)輻射效果的促進(jìn)作用。當(dāng)調(diào)整磁場(chǎng)位形使得偏濾器區(qū)域的磁力線更加緊密纏繞時(shí)，中性粒子在該區(qū)域的滯留時(shí)間增加，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，雜質(zhì)輻射功率提高，從而有效降低了靶板熱負(fù)荷。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行操作。在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)裝置進(jìn)行全面的檢查和調(diào)試，確保各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)真空室進(jìn)行嚴(yán)格的抽真空處理，使其達(dá)到超高真空狀態(tài)，減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。對(duì)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷和勵(lì)磁，使其達(dá)到設(shè)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，密切監(jiān)測(cè)等離子體的參數(shù)變化，根據(jù)診斷系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整雜質(zhì)注入量和磁場(chǎng)位形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)靶板熱負(fù)荷過(guò)高時(shí)，通過(guò)增加雜質(zhì)注入量或調(diào)整磁場(chǎng)位形，降低靶板熱負(fù)荷。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄和分析，總結(jié)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供參考。5.2控制策略與效果評(píng)估在EAST裝置上，主要采用雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形調(diào)整這兩種策略來(lái)控制靶板熱負(fù)荷，這兩種策略通過(guò)不同的物理機(jī)制對(duì)靶板熱負(fù)荷產(chǎn)生影響，以下將對(duì)其控制效果進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。雜質(zhì)注入策略通過(guò)改變偏濾器區(qū)域的等離子體物理過(guò)程來(lái)降低靶板熱負(fù)荷。當(dāng)向偏濾器區(qū)域注入雜質(zhì)氣體，如氬（Ar）、氖（Ne）等時(shí)，雜質(zhì)原子被高溫等離子體電離，形成雜質(zhì)離子。雜質(zhì)離子通過(guò)輻射躍遷釋放出大量能量，實(shí)現(xiàn)等離子體能量的有效耗散。適量Ar氣注入會(huì)導(dǎo)致輻射明顯上升，輻射功率的增加意味著更多的能量在偏濾器區(qū)域被輻射出去，減少了到達(dá)靶板的能量。雜質(zhì)注入還會(huì)增強(qiáng)原子分子過(guò)程，如電荷交換、彈性碰撞和非彈性碰撞等，這些過(guò)程會(huì)導(dǎo)致粒子的能量損失，進(jìn)一步降低到達(dá)靶板的能量。從熱負(fù)荷降低程度來(lái)看，雜質(zhì)注入策略取得了顯著效果。在EAST的實(shí)驗(yàn)中，注入Ar后，靶板的功率沉積明顯下降，靶板峰值熱流降低了50%-70%。注入Ne也能實(shí)現(xiàn)偏濾器等離子體脫靶，降低靶板熱負(fù)荷。不同雜質(zhì)注入對(duì)芯部等離子體約束性能的影響存在差異。在Ar注入實(shí)現(xiàn)部分能量脫靶時(shí)，芯部約束有所下降，而對(duì)于Ne注入，芯部約束則有一個(gè)輕微的提升（~10%）。這表明在選擇雜質(zhì)注入策略時(shí)，需要綜合考慮靶板熱負(fù)荷降低和芯部等離子體約束性能保持兩個(gè)方面的因素。磁場(chǎng)位形調(diào)整策略則是通過(guò)改變偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而降低靶板熱負(fù)荷。利用EAST裝置的極向場(chǎng)（PF）線圈和縱場(chǎng)（TF）線圈，通過(guò)精確控制線圈電流的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)位形的靈活調(diào)整。當(dāng)調(diào)整磁場(chǎng)位形使得偏濾器區(qū)域的磁力線更加緊密纏繞時(shí)，中性粒子在該區(qū)域的滯留時(shí)間增加，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，雜質(zhì)輻射功率提高，從而有效降低了靶板熱負(fù)荷。在評(píng)估磁場(chǎng)位形調(diào)整策略的控制效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)它能夠改變熱流和粒子流的分布。通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)位形，研究人員觀察到偏濾器靶板上的粒子流分布出現(xiàn)環(huán)向非對(duì)稱(chēng)的分裂結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)隨著磁場(chǎng)位形的變化而改變。當(dāng)采用環(huán)向旋轉(zhuǎn)的外加磁擾動(dòng)場(chǎng)時(shí)，磁擾動(dòng)期間靶板上的粒子流分布出現(xiàn)的環(huán)向非對(duì)稱(chēng)分裂結(jié)構(gòu)會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)的磁擾動(dòng)場(chǎng)沿靶板環(huán)向同步旋轉(zhuǎn)，證實(shí)了這一控制手段有利于粒子流和熱流在整個(gè)靶板上的均化，避免靶板局部過(guò)熱。磁場(chǎng)位形調(diào)整對(duì)芯部等離子體約束性能的影響相對(duì)較小，在一定程度上可以在降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，維持芯部等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)比雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形調(diào)整這兩種策略，雜質(zhì)注入策略在降低靶板熱負(fù)荷方面效果更為顯著，能夠大幅降低靶板峰值熱流。其對(duì)芯部等離子體約束性能的影響較為復(fù)雜，不同雜質(zhì)注入可能會(huì)導(dǎo)致芯部約束性能的下降或提升。磁場(chǎng)位形調(diào)整策略雖然在降低靶板熱負(fù)荷的幅度上相對(duì)較小，但它能夠有效改變熱流和粒子流的分布，避免靶板局部過(guò)熱，且對(duì)芯部等離子體約束性能影響較小。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求和裝置運(yùn)行條件，綜合運(yùn)用這兩種策略，以實(shí)現(xiàn)更有效的靶板熱負(fù)荷控制。5.3與國(guó)際同類(lèi)研究對(duì)比在國(guó)際上，眾多托卡馬克裝置針對(duì)偏濾器靶板熱負(fù)荷控制開(kāi)展了深入研究，與EAST的研究成果相比，各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的DIII-D裝置在偏濾器脫靶與高性能等離子體兼容集成方面成果顯著。2018年，中美EAST/DIII-D聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用封閉偏濾器下的雜質(zhì)注入脫靶控制，以及高極向比壓運(yùn)行模式下雙輸運(yùn)壘帶來(lái)的約束增強(qiáng)，在DIII-D裝置上實(shí)現(xiàn)了高比壓高參數(shù)芯部等離子體與偏濾器全脫靶狀態(tài)的有效兼容集成。等離子體歸一化比壓達(dá)到3(βN~3)，能量約束因子比普通高約束模式高50%(H98~1.5)。相比之下，EAST在實(shí)現(xiàn)偏濾器脫靶時(shí)，對(duì)于芯部等離子體約束性能的維持也有獨(dú)特的研究成果。在注入氖（Ne）實(shí)現(xiàn)部分能量脫靶時(shí)，芯部約束有一個(gè)輕微的提升（~10%），但在整體的比壓和能量約束因子提升幅度上，與DIII-D裝置的該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，還有一定的提升空間。德國(guó)的ASDEX-Upgrade裝置通過(guò)外加共振磁擾動(dòng)（RMP）來(lái)抑制邊界局域模（ELM），從而降低偏濾器靶板熱負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在充氣或彈丸注入形成的高再循環(huán)，以及在雜質(zhì)注入形成的輻射偏濾器條件下，RMP能夠維持ELM抑制并有效降低偏濾器靶板穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷。EAST裝置同樣開(kāi)展了共振磁擾動(dòng)抑制邊界局域模及偏濾器熱負(fù)荷集成控制研究。EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)針對(duì)ITER相關(guān)運(yùn)行參數(shù)下的共振磁擾動(dòng)（RMP）抑制邊界局域模（ELM）取得新突破，在國(guó)際上率先為ITER演示了n=4的RMP能夠有效抑制ELM，明確了實(shí)現(xiàn)抑制的密度區(qū)間和q95窗口。與ASDEX-Upgrade裝置相比，EAST在RMP抑制ELM的研究中，更側(cè)重于為ITER的運(yùn)行提供參考，并且在三維磁拓?fù)鋵?duì)ELM抑制的影響研究方面更為深入。日本的JT-60U裝置通過(guò)對(duì)偏濾器位形的優(yōu)化和雜質(zhì)注入的研究，在降低靶板熱負(fù)荷和提高等離子體約束性能方面取得了一定成果。該裝置研究了不同雜質(zhì)氣體注入對(duì)偏濾器等離子體參數(shù)和熱負(fù)荷分布的影響，發(fā)現(xiàn)合適的雜質(zhì)注入可以有效降低靶板熱流，同時(shí)保持較好的等離子體約束性能。EAST在雜質(zhì)注入對(duì)偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷影響的研究中，對(duì)不同雜質(zhì)種類(lèi)，如氬（Ar）和氖（Ne）注入后的脫靶效果、輻射特性以及對(duì)芯部等離子體約束性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。與JT-60U裝置相比，EAST的研究更加系統(tǒng)全面，不僅關(guān)注雜質(zhì)注入對(duì)靶板熱負(fù)荷的影響，還深入探究了不同雜質(zhì)對(duì)脫靶物理機(jī)制的影響差異。EAST在輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制研究方面具有自身的優(yōu)勢(shì)。作為世界上首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，EAST具備與ITER相近的工程技術(shù)條件，如超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)、高功率長(zhǎng)時(shí)間加熱能力以及與ITER位形相似的鎢銅偏濾器系統(tǒng)等，能夠?yàn)镮TER的運(yùn)行和未來(lái)聚變堆的設(shè)計(jì)提供更直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)驗(yàn)證。EAST在長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2025年成功實(shí)現(xiàn)了上億度1066秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，這為研究長(zhǎng)時(shí)間尺度下的偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)條件。EAST也存在一些不足。在某些實(shí)驗(yàn)參數(shù)的提升方面，如等離子體的比壓和能量約束因子，與部分國(guó)際先進(jìn)裝置相比還有提升空間。在實(shí)驗(yàn)研究的廣度和深度上，雖然已經(jīng)取得了一系列重要成果，但對(duì)于一些復(fù)雜的物理過(guò)程，如脫靶狀態(tài)下雜質(zhì)在等離子體中的輸運(yùn)和分布機(jī)制，還需要進(jìn)一步深入研究。在國(guó)際合作方面，雖然EAST與國(guó)際同行開(kāi)展了廣泛的合作交流，但在整合國(guó)際資源、共同攻克關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題方面，還有進(jìn)一步加強(qiáng)的空間。六、脫靶與靶板熱負(fù)荷控制的關(guān)聯(lián)及協(xié)同優(yōu)化6.1脫靶與熱負(fù)荷控制的相互關(guān)系脫靶與靶板熱負(fù)荷控制之間存在著緊密且復(fù)雜的相互關(guān)系，深入理解這種關(guān)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)托卡馬克裝置的高效、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。脫靶狀態(tài)對(duì)靶板熱負(fù)荷有著直接且顯著的影響。當(dāng)?shù)入x子體處于脫靶狀態(tài)時(shí)，偏濾器區(qū)域的物理過(guò)程發(fā)生明顯改變。在脫靶過(guò)程中，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，中性粒子與等離子體之間的相互作用加劇。電荷交換過(guò)程使得等離子體中的離子與中性粒子交換電荷，離子的能量降低，以中性粒子的形式離開(kāi)等離子體，實(shí)現(xiàn)能量損失。彈性碰撞和非彈性碰撞導(dǎo)致粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)移和激發(fā)，進(jìn)一步增加能量損失。這些增強(qiáng)的原子分子過(guò)程使得偏濾器區(qū)域成為一個(gè)高效的能量耗散區(qū)域，大量的能量在該區(qū)域被消耗，從而減少了到達(dá)靶板的能量，降低了靶板熱負(fù)荷。雜質(zhì)注入是實(shí)現(xiàn)脫靶的重要手段之一，其對(duì)靶板熱負(fù)荷的影響也十分關(guān)鍵。當(dāng)向偏濾器區(qū)域注入雜質(zhì)氣體，如氬（Ar）、氖（Ne）等時(shí)，雜質(zhì)原子被高溫等離子體電離，形成雜質(zhì)離子。雜質(zhì)離子通過(guò)輻射躍遷釋放出大量能量，實(shí)現(xiàn)等離子體能量的有效耗散。在EAST的實(shí)驗(yàn)中，注入Ar后，偏濾器區(qū)域的輻射功率顯著增加，適量Ar氣注入會(huì)導(dǎo)致輻射明顯上升，輻射功率的增加意味著更多的能量在偏濾器區(qū)域被輻射出去，減少了到達(dá)靶板的能量，從而有效降低了靶板熱負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，注入Ar后，靶板的功率沉積明顯下降，靶板峰值熱流降低了50%-70%。熱負(fù)荷控制措施對(duì)脫靶也有著重要作用。通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)位形可以改變偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而促進(jìn)脫靶的發(fā)生。利用EAST裝置的極向場(chǎng)（PF）線圈和縱場(chǎng)（TF）線圈，通過(guò)精確控制線圈電流的大小和方向，使偏濾器區(qū)域的磁力線更加緊密纏繞，中性粒子在該區(qū)域的滯留時(shí)間增加，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)脫靶。合理的雜質(zhì)注入策略不僅可以降低靶板熱負(fù)荷，還能根據(jù)雜質(zhì)種類(lèi)和注入量的不同，調(diào)節(jié)脫靶的效果。在EAST實(shí)驗(yàn)中，不同雜質(zhì)注入對(duì)脫靶效果和靶板熱負(fù)荷的影響存在差異。Ne注入雖然輻射效率與Ar注入有所不同，但同樣能實(shí)現(xiàn)偏濾器等離子體脫靶，且在某些情況下對(duì)芯部等離子體約束性能有輕微提升。脫靶與靶板熱負(fù)荷控制之間存在著相互促進(jìn)、相互制約的關(guān)系。脫靶狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)能夠有效降低靶板熱負(fù)荷，保護(hù)靶板材料，延長(zhǎng)其使用壽命。而合理的熱負(fù)荷控制措施，如調(diào)整磁場(chǎng)位形和雜質(zhì)注入策略，又有助于實(shí)現(xiàn)和維持脫靶狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮各種因素，優(yōu)化脫靶與熱負(fù)荷控制的方案，以實(shí)現(xiàn)托卡馬克裝置的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。6.2協(xié)同優(yōu)化策略探討為實(shí)現(xiàn)托卡馬克裝置中偏濾器脫靶與靶板熱負(fù)荷控制的高效協(xié)同，綜合考慮脫靶和靶板熱負(fù)荷控制的協(xié)同優(yōu)化策略至關(guān)重要，這需要從多個(gè)方面入手，全面提升裝置的運(yùn)行性能。在雜質(zhì)注入方案優(yōu)化方面，需要深入研究雜質(zhì)的種類(lèi)、注入量和注入時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)控。不同雜質(zhì)具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和輻射特性，對(duì)脫靶效果和靶板熱負(fù)荷的影響存在顯著差異。如前文所述，氬（Ar）注入能有效降低靶板熱負(fù)荷，但其對(duì)芯部等離子體約束性能有一定負(fù)面影響；氖（Ne）注入雖輻射效率與Ar不同，但能實(shí)現(xiàn)脫靶且對(duì)芯部約束有輕微提升。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)裝置的具體運(yùn)行需求和等離子體參數(shù)，合理選擇雜質(zhì)種類(lèi)?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，建立雜質(zhì)注入與脫靶效果、靶板熱負(fù)荷以及芯部等離子體約束性能之間的定量關(guān)系模型。利用該模型，預(yù)測(cè)不同雜質(zhì)注入方案下的裝置運(yùn)行狀態(tài)，從而確定最優(yōu)的雜質(zhì)注入方案。在特定的等離子體參數(shù)條件下，通過(guò)模型計(jì)算得出氬和氖按一定比例混合注入時(shí)，既能有效降低靶板熱負(fù)荷，又能維持較好的芯部等離子體約束性能。對(duì)于雜質(zhì)注入量的控制，應(yīng)避免注入量過(guò)大或過(guò)小。注入量過(guò)小，無(wú)法充分發(fā)揮雜質(zhì)的輻射作用，難以實(shí)現(xiàn)有效脫靶和降低靶板熱負(fù)荷；注入量過(guò)大，則可能導(dǎo)致芯部等離子體中雜質(zhì)濃度過(guò)高，影響等離子體的約束性能和核聚變反應(yīng)的進(jìn)行?？梢圆捎脤?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制的方法，根據(jù)等離子體參數(shù)的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整雜質(zhì)注入量。利用偏濾器朗繆爾探針、輻射量熱診斷等手段，實(shí)時(shí)測(cè)量偏濾器區(qū)域的等離子體密度、電子溫度、輻射功率等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)靶板熱負(fù)荷過(guò)高時(shí)，自動(dòng)增加雜質(zhì)注入量；當(dāng)芯部等離子體約束性能下降時(shí)，適當(dāng)減少雜質(zhì)注入量。通過(guò)這種實(shí)時(shí)反饋控制，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)注入量的精準(zhǔn)調(diào)控，以達(dá)到最佳的脫靶和熱負(fù)荷控制效果。注入時(shí)機(jī)的選擇同樣關(guān)鍵。在等離子體放電的不同階段，雜質(zhì)注入的效果可能不同。在等離子體啟動(dòng)階段注入雜質(zhì)，可能會(huì)影響等離子體的初始參數(shù)和電流驅(qū)動(dòng)效率；而在等離子體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后再注入雜質(zhì)，可能無(wú)法及時(shí)實(shí)現(xiàn)脫靶和降低熱負(fù)荷。需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定雜質(zhì)注入的最佳時(shí)機(jī)?？梢栽诓煌牡入x子體放電時(shí)刻進(jìn)行雜質(zhì)注入實(shí)驗(yàn)，觀察等離子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷的變化情況。通過(guò)對(duì)比分析，找到能夠最快實(shí)現(xiàn)脫靶且對(duì)等離子體性能影響最小的注入時(shí)機(jī)。在等離子體電流達(dá)到設(shè)定值的80%時(shí)注入雜質(zhì)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫靶，同時(shí)對(duì)等離子體的約束性能影響較小。磁場(chǎng)位形調(diào)整也是協(xié)同優(yōu)化的重要策略之一。利用EAST裝置的極向場(chǎng)（PF）線圈和縱場(chǎng)（TF）線圈，可以精確控制磁場(chǎng)位形。通過(guò)調(diào)整PF線圈電流的大小和方向，可以改變偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)調(diào)整磁場(chǎng)位形使得偏濾器區(qū)域的磁力線更加緊密纏繞時(shí)，中性粒子在該區(qū)域的滯留時(shí)間增加，原子分子過(guò)程增強(qiáng)，雜質(zhì)輻射功率提高，從而有效降低靶板熱負(fù)荷。還可以通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)位形，促進(jìn)等離子體脫靶的發(fā)生。當(dāng)磁場(chǎng)位形滿(mǎn)足一定條件時(shí)，等離子體與靶板之間的相互作用減弱，更容易實(shí)現(xiàn)脫靶。可以通過(guò)數(shù)值模擬，研究不同磁場(chǎng)位形下等離子體和中性粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，找到有利于脫靶和降低靶板熱負(fù)荷的磁場(chǎng)位形。模擬結(jié)果表明，當(dāng)偏濾器區(qū)域的磁場(chǎng)位形呈現(xiàn)特定的扭曲結(jié)構(gòu)時(shí)，等離子體更容易脫靶，靶板熱負(fù)荷也能得到有效降低。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以將雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形調(diào)整兩種策略結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。先通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)位形，為雜質(zhì)注入創(chuàng)造有利條件，使雜質(zhì)能夠更有效地發(fā)揮輻射作用；再根據(jù)磁場(chǎng)位形調(diào)整后的等離子體參數(shù)，優(yōu)化雜質(zhì)注入方案。在調(diào)整磁場(chǎng)位形使得偏濾器區(qū)域的磁力線更加緊密纏繞后，適當(dāng)增加雜質(zhì)注入量，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)脫靶效果，降低靶板熱負(fù)荷。通過(guò)這種協(xié)同優(yōu)化策略，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)偏濾器脫靶與靶板熱負(fù)荷控制的高效協(xié)同，提高托卡馬克裝置的運(yùn)行性能。6.3對(duì)未來(lái)聚變堆的啟示EAST在輻射偏濾器脫靶和靶板熱負(fù)荷控制實(shí)驗(yàn)中取得的一系列成果，為未來(lái)聚變堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了極具價(jià)值的啟示，在理論、技術(shù)和運(yùn)行策略等多個(gè)層面為未來(lái)聚變堆的發(fā)展指明了方向。從理論層面來(lái)看，EAST實(shí)驗(yàn)深入揭示了偏濾器脫靶的物理機(jī)制，這對(duì)于未來(lái)聚變堆的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬，明確了原子分子過(guò)程增強(qiáng)、雜質(zhì)輻射能量損失、中性粒子行為以及磁場(chǎng)位形對(duì)脫靶的關(guān)鍵影響。這些研究成果為未來(lái)聚變堆偏濾器的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，有助于優(yōu)化偏濾器的結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)位形，提高脫靶的穩(wěn)定性和效率。在未來(lái)聚變堆偏濾器的設(shè)計(jì)中，可以借鑒EAST實(shí)驗(yàn)中關(guān)于磁場(chǎng)位形調(diào)整對(duì)脫靶促進(jìn)作用的研究成果，通過(guò)精確控制磁場(chǎng)位形，使偏濾器區(qū)域的磁力線分布更加合理，增強(qiáng)中性粒子在該區(qū)域的滯留和局域化，促進(jìn)原子分子過(guò)程和雜質(zhì)輻射，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高效的脫靶運(yùn)行。對(duì)雜質(zhì)注入與脫靶效果、靶板熱負(fù)荷以及芯部等離子體約束性能之間關(guān)系的深入研究，也為未來(lái)聚變堆選擇合適的雜質(zhì)注入策略提供了理論依據(jù)。在技術(shù)層面，EAST實(shí)驗(yàn)中發(fā)展的一系列控制技術(shù)和診斷技術(shù)，為未來(lái)聚變堆的運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支持。主動(dòng)反饋控制技術(shù)在EAST實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)H模脫靶的主動(dòng)控制，這一技術(shù)可以應(yīng)用于未來(lái)聚變堆，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏濾器脫靶狀態(tài)和靶板熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精確調(diào)控。通過(guò)實(shí)時(shí)反饋控制，能夠根據(jù)等離子體參數(shù)的變化，及時(shí)調(diào)整雜質(zhì)注入量、磁場(chǎng)位形等參數(shù)，確保聚變堆在各種工況下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脫靶運(yùn)行，有效降低靶板熱負(fù)荷。EAST實(shí)驗(yàn)中使用的多種診斷技術(shù)，如偏濾器朗繆爾探針、輻射量熱診斷、雜質(zhì)光譜系統(tǒng)等，能夠?qū)Φ入x子體參數(shù)和靶板熱負(fù)荷進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)量。這些診斷技術(shù)可以為未來(lái)聚變堆的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助操作人員及時(shí)了解聚變堆的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并采取相應(yīng)的措施。在未來(lái)聚變堆中，可以進(jìn)一步發(fā)展和完善這些診斷技術(shù)，提高測(cè)量的精度和可靠性，為聚變堆的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。從運(yùn)行策略層面來(lái)看，EAST實(shí)驗(yàn)中關(guān)于雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形調(diào)整的協(xié)同優(yōu)化策略，為未來(lái)聚變堆的運(yùn)行提供了重要的參考。在未來(lái)聚變堆的運(yùn)行中，可以借鑒EAST實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的運(yùn)行工況和需求，合理選擇雜質(zhì)注入方案和磁場(chǎng)位形調(diào)整策略。在高功率運(yùn)行工況下，可以適當(dāng)增加雜質(zhì)注入量，結(jié)合優(yōu)化的磁場(chǎng)位形，實(shí)現(xiàn)更有效的脫靶和熱負(fù)荷控制。還可以根據(jù)芯部等離子體約束性能的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整雜質(zhì)注入和磁場(chǎng)位形，確保在降低靶板熱負(fù)荷的同時(shí)，維持芯部等離子體的良好性能。EAST實(shí)驗(yàn)中對(duì)脫靶與中心高性能等離子體兼容性的驗(yàn)證，也為未來(lái)聚變堆的運(yùn)行提供了重要的思路。在未來(lái)聚變堆