低雜波保護限制器熱斑刻蝕機理研究取得進展

近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所研究員徐國盛帶領的研究團隊，通過研究 EAST 低雜波保護限制器熱斑刻蝕機理，揭示 EAST 低雜波石墨保護限制器熱斑引起雜質爆發的物理機制是以化學濺射爲主，因此當溫度上升到碳的化學濺射增強的溫度，就會出現碳雜質爆發現象，嚴重製約低雜波系統的高功率（>2MW）運行。通過更換金屬鎢天線保護限制器，可以避免化學濺射並增加冷卻能力。相關研究成果發表在 Physics of Plasmas 上。

自從4.6G Hz 低雜波系統投入 EAST 實驗以來，低雜波天線口保護限制器熱斑刻蝕靶板問題日益突出。低雜波驅動快電子導致的熱斑嚴重阻礙低雜波系統的注入功率和高參數長脈衝的運行。爲了理解熱斑的形成和刻蝕機理，研究人員在實驗基礎上發現，碳雜質爆發與熱斑處溫度存在依賴關係，熱斑處的溫度比背景靶板處溫度高5倍，並隨放電時間和等離子體密度滿足準線性關係。爲了理解熱斑刻蝕靶板而引起等離子體碳雜質含量變化的物理機理，課題組在原有發展刮削層快電子模型的基礎上進一步發展了天線口處的快電子理論模型，並結合兩點模型和新發展的存在快電子下的鞘層電位模型來計算天線口處等離子體參量信息，以此爲輸入參量，進一步計算物理濺射、化學濺射和輻射增強昇華等濺射引起的碳雜質濺射產額。

碳雜質濺射通量的時間演化揭示，隨着器壁溫度達到化學濺射的適宜溫度，碳雜質濺射通量將會從平穩狀態明顯爆發，在放電時序上能監測到明顯的碳雜質鼓包。通過掃描天線口密度和平行方向能流發現，碳雜質濺射通量隨着背景平行方向能流的增加而增強，而碳雜質濺射鼓包隨着密度的增加而在時間上前移。在本質上熱斑處的溫度和鞘層電位的增強分別由低雜波驅動快電子沉積到等離子體中的能流和電流導致。

該模型揭示化學濺射以及可能包含化學增強引起的碳的自濺射可以導致實驗上觀測到的碳雜質爆發。理論模型定性上與密度掃描實驗一致，從理論上推導的熱斑處的能流與等離子體參量依賴關係也與 Tore Supra 上熱斑能流的實驗定標一致。對於 EAST 穩定長脈衝運行，論文指出從運行和工程上降低天線口熱斑的溫度有利於阻止熱斑處碳雜質爆發。在運行上，通過控制 gapout 來控制天線口密度有利於降低熱斑溫度。在工程上，提高靶板熱傳導係數以及選擇化學濺射低的鎢材料將有利於長脈衝運行。以上兩點在2018年的實驗上得到證實。

研究工作得到了國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金、博士後國際交流計劃、中科院青年創新促進會、中科院前沿科學重點研究項目以及中科院王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊”項目的資助。