HL-2A装置上超声分子束注入触发L-H转换的实验研究*

冯北滨 姚良骅 陈程远 季小全 钟武律 石中兵 余德良崔正英 宋显明 段旭如

(核工业西南物理研究院聚变科学所，成都 610041)

(2012年6月12日收到;2012年7月25日收到修改稿)

1 引言

磁约束高温等离子体高约束运行模式于1982年在ASDEX装置上首先被发现[1]，这种被称为H模的等离子体放电是未来ITER(国际热核聚变实验堆)的主要运行模式.虽然H模已实现了三十年，人们在理论模拟和实验等方面都取得了大量的研究成果，但对L-H转换机理，以及转换所需的最低功率即所谓的功率阈值与等离子体放电参数之间的关系还不是很清楚，对机理的理解也存在多种模型，没有系统的理论支持.现在对ITER阈值功率的估算均依赖于一些基于现有装置实验数据获得的H模阈值功率定标率，但因参数关系的不确定性，对ITER阈值功率的估算仍存在很大的不确定性，这增加了ITER运行初期加热功率有限条件下实现H模的难度.所以在现有装置上研究如何降低L-H转换的阈值功率并准确给出阈值功率与放电参数之间的依赖关系十分重要和紧迫.

从实验上看，H模阈值功率不仅与加热功率密切相关，还与等离子体表面积、位形、磁场强度、电子密度以及等离子体边缘粒子再循环等因素有关.在H模形成过程中，等离子体边缘密度分布突然变陡，形成一个边缘输运垒，这是等离子体L-H转换的重要特征之一.因此，在L-H转换阈值功率研究中，人们主要关注边缘等离子体参数在L-H模转变过程中的变化.在DIII-D装置上，曾采用弹丸注入直接触发H模，方法是将进入DIII-D装置真空室的弹丸打碎，使其沉积在等离子体归一化半径ρ≥0.9附近，在等离子体边缘产生较大的密度和温度扰动并发生L-H转换.其实验研究表明，为了实现L-H转换，需要浅表弹丸注入.浅表弹丸注入使L-H模转换的阈值功率降低了29%[2].近期，HL-2A装置上实验结果表明，产生L-H转换的功率阈值与超声分子束注入[3](SMBI)有关.

HL-2A装置在大功率电子回旋共振加热(ECRH)与中性束注入(NBI)条件下于2009年首次在国内实现了H模放电[4].HL-2A装置上H模放电的一个特点是大多采用了SMBI进行补充加料.SMBI有很多类似微小弹丸浅表注入的特性，相对注入深度比普通送气(GP)深，加料效率高，边缘再循环低等特点.所以，本文主要研究了SMBI触发L-H转换等离子体的时间演化特征、L-H转换功率以及H模等离子体的约束性能，分析了HL-2A装置上SMBI触发L-H转换机理，并通过大量实验数据的对比给出了GP与SMBI分别实现H模的L-H转换功率.

2 实验装置与补充加料系统

HL-2A装置是一个具有双零偏滤器位形的中型托卡马克装置，大小半径分别为R=1.65 m和a=0.4 m，一般运行在下单零偏滤器位形[5].H模放电期间，典型等离子体参数为：环向场BT=1.2—1.4 T，等离子体电流Ip=150—180 kA，中心弦线平均密度ne(0)=1—2.5×1019m-3，Ip平顶时间大于1000 ms.辅助加热系统主要是2 MW的ECRH[6]和1 MW NBI[7].

图1 HL-2A装置加料系统布置示意图

HL-2A装置加料系统如图1所示.SMBI，GP和弹丸注入(PI)被安排在同一窗口水平方向注入，方便对比三种加料方式对等离子体的影响.SMBI系统主要由高压气源、脉冲电磁阀(General Valve Series 99)、低温冷阱、电磁阀驱动器、脉冲时序控制器和真空抽气系统组成.超声分子束束流主要由钢瓶中的高压氘气通过喷嘴向真空室喷射出的自由射流形成，粒子流量最高可达5×1021/s，束流速度为1400 m/s，通过中平面直径为350 mm的圆形窗口水平注入HL-2A装置等离子体中.注入口距离等离子体边缘1280 mm，注入深度在r/a=0.8附近[8].HL-2A装置上的GP工作阀门为PV-10压电晶体阀，通过控制阀门电压及阀门开启时间来控制注入气量.阀门的工作电压可设置在0—120 V之间，阀门开启时间小于2 ms，进入等离子体中的气量一般不小于1.33×10-2Pa·m3s-1.工作气体通过长L=1000 mm，直径Φ=30 mm的不锈钢引导管与装置真空室连接，PV-10压电晶体阀打开时，燃料气体以扩散的方式进入等离子体.PI系统[9]与SMBI，GP安装在装置的同一窗口上.

3 实验结果

3.1 相同加热功率下SMBI对L-H转换的影响

11329 次放电(灰色)是HL-2A装置一次典型的H模放电，与11327次L模放电(黑色)对比，可发现SMBI在L-H转换中的作用，如图2所示.两次放电等离子体电流均为150 kA，11327次放电500 ms时投入NBI，加热功率PNBI=680 kW;放电至610 ms时投入ECRH，PECRH=660 kW.本次放电采用GP密度反馈控制方式，控制信号为GP所示.等离子体密度在ECRH投入前一直维持在HL-2A装置上H模最易触发的密度范围1.5×1019m-3附近，当ECRH投入后，等离子体密度受到ECRH使粒子外排(pump-out)现象的影响而有所下降.尽管密度反馈系统采用了较强的GP进行补充加料，但等离子体密度仍没达到设定值.尽管此次放电的加热总功率Ptot=POh+PNBI+PECRH=1370 kW，已远大于HL-2A装置实现L-H转换的加热功率平均值，但由于密度偏低，降低了等离子体对辅助加热功率的吸收，特别是对NBI功率的吸收.从后面的密度分布测量也观察到，GP加料不容易建立起有利于L-H转换的边缘密度梯度.同时，pump-out效应的直接效果是使真空室内中性气体压强(P)增加一倍左右，粒子再循环大大增强，这或许是阻碍此次放电L-H转换的重要的原因之一.因此，11327次放电始终处于L模放电，整个放电过程持续1300 ms.

11329 次放电，等离子体电流、NBI加热功率、ECRH功率大小等都与11327次相当，加热总功率Ptot=POh+PNBI+PECRH=1370 kW，与11327次放电一致，不同之处是补充加料过程中采用了SMBI技术.11327次放电全程是采用GP密度反馈控制方式，而11329次放电则分为两段：首先是GP，密度控制在1.5×1019m-3;然后在600 ms，ECRH投入前开始采用SMBI加料，同时停止GP密度反馈.从真空室内中性气体压强P信号看，SMBI投入后，真空室内中性气体压强降低了约50%，说明粒子再循环大大降低，再循环低不仅有利于控制等离子体密度，实现长脉冲运行，对实现L-H转换也起着重要作用[10].此次放电ECRH投入时刻为700 ms，等离子体密度虽然仍受pump-out效应的影响，但由于SMBI粒子穿透深度和加料效率高于普通送气[11]，克服了pump-out效应带来的等离子体粒子损失，密度基本保持在预设值，没有大的变化.此密度条件十分有利于等离子体对辅助加热功率的吸收，有利于H模边缘输运垒的建立.因此，在超声分子束第7个脉冲注入后的733 ms发生了L-H转换，等离子体密度由1.4×1019m-3上升到2.0×1019m-3，储能W由17 kJ增加到27 kJ，H模持续时间近200 ms.

图2 #11327和#11329放电波形图 Ip为等离子体电流;ne为电子密度;W为储能;PECRH为电子回旋加热功率;PNBI为中性束加热功率;SMBI为分子束注入;GP为脉冲送气;P为中性气体压强;Da为偏滤器Da

3.2 SMBI降低L-H转换功率

受DIII-D装置上弹丸浅表注入触发L-H转换、降低阈值功率的实验结果启发，我们尝试采用SMBI来降低HL-2A装置L-H转换功率.下面以15884(黑色)和15885(灰色)相邻两次H模放电为例加以说明，如图3所示.15884次放电与15885次放电等离子体宏观参数基本一致，等离子体电流165 kA，密度1.2×1019m-3，磁场1.33 T.但辅助加热功率相差较大，其中15884次放电辅助加热功率约为1400 kW，而15885次放电辅助加热功率约为800 kW，总加热功率减少了约40%.尽管这两次放电都实现了H模放电，但形成L-H转换的原因不同.15884次放电ECRH投入时间为330 ms，功率850 kW;NBI投入时间为360 ms，功率550 kW.此次放电采用GP密度反馈使等离子体密度控制在1.3×1019m-3.从图中可看出，530 ms发生了L-H转换，H模持续近360 ms，整个等离子体放电持续1360 ms.

15885 次放电，ECRH功率仅为250 kW，由于辅助加热功率的降低，SMBI注入前未发生L-H转换，这说明实现H模所要求的L-H转换条件并不具备.放电进行到650 ms时，注入三个SMBI脉冲，脉冲宽度4 ms，背压2.0 MPa.第一个脉冲注入等离子体后，659 ms发生了L-H转换.将15885次放电在630—690 ms展开，如图4所示.从安装在与SMBI注入口同一极向截面的Da信号(图中Da)可以看出，在发生L-H转换的时刻，第一个SMBI脉冲尚未结束，等离子体密度由1.3×1019m-3快速上升到1.8×1019m-3，建立起适合L-H转换的台基密度，紧接着在659 ms进入一个2 kHz的振荡阶段，这是一种在临界加热功率下，最后转变到稳定的H模之前能在Da信号上观察到的高频振荡，即所谓的高频颤动H模[12]，680 ms时刻进入稳定的H模.SMBI起到触发L-H转换的作用，H模放电持续到波加热功率结束.

图3 #15884和#15885放电波形图Ip为等离子体电流;ne为电子密度;W为储能;PECRH为电子回旋加热功率;PNBI为中性束加热功率;SMBI为分子束注入;GP为脉冲送气;P为中性气体压强;Da为偏滤器Da

图4 #15885放电630—690 ms展开 ne，密度;Da,div，偏滤器Da;Da，分子束注入口Da;SMBI，分子束注入

为了进一步研究SMBI在L-H转换过程中的作用，我们在15253次放电中的480，650和780 ms分别进行GP，SMBI和PI加料，研究这三种补充加料引起的等离子体边缘密度分布演化过程，如图5所示.由微波反射测得的等离子体边缘不同径向位置密度随时间演化(图5(a))以及这三种加料完成后等离子体边缘密度分布的变化(图5(b))可以看出，SMBI与PI加料后，等离子体边缘密度随时间的变化特征十分相近，均表现为密度上升快，Δne增幅较大，并且都比GP大25%—30%，而GP加料后，等离子体边缘密度随时间的演化相对缓慢.SMBI加料后与GP加料后的等离子体边缘密度分布也明显不同，而与PI加料后的等离子体边缘密度分布基本一致.其主要特征是磁分界面附近的密度梯度∇ne远大于普通送气后的∇ne，这十分有利于形成L-H转换的边缘压强梯度，是粒子输运垒形成前必需具备的压强梯度，也是SMBI能够触发L-H转换的重要原因之一.

图5 GP，SMBI和PI注入后边缘密度随时间的演变(a)以及边缘密度分布(b)

图6 L-H转换时密度与加热功率的关系

我们选择HL-2A装置上近百次等离子体放电条件基本相同、放电序号相邻、分别由GP和SMBI补充加料实现L-H转换的放电，统计分析了加热总功率与等离子体密度的关系，如图6所示.图中黑色倒三角为GP实现L-H转换的放电，灰色方框是SMBI实现L-H转换的放电.从图中可以看出，在一定的运行参数范围内，HL-2A装置通过SMBI进行补充加料比GP更容易实现L-H转换，SMBI实现H模的最低转换功率比GP实现H模的最低转换功率降低了约10%.

4 结论

SMBI加料后，粒子沉积位置一般在r/a=0.8附近，这使得边缘ne，Te发生了显著变化，如果说是边缘等离子体参数决定了L-H转换阈值功率，那么SMBI使边缘ne上升对形成边缘输运垒可能是非常关键的一步.在只有欧姆加热的等离子体中，SMBI注入后，可以观测到电子密度快速上升后还存在一个慢上升的过程.此时，SMBI阀门已经关闭，监测加料的Da信号也降至较低水平，但是密度还在继续上升，线平均密度和监测再循环的Ha之比上升，显示等离子体的约束有改善的迹象[13].在HL-2A装置上，ECRH投入后，等离子体密度常常受pump-out效应的影响而降低，采用SMBI能够弥补由pump-out效应所带来的粒子损失，其主要原因是SMBI加料比GP加料粒子进入等离子体更深，效率更高.这有利于在等离子体边缘建立起较大的边缘密度梯度，有利于边缘输运垒的形成，在相对低的加热功率下发生L-H转换.DIII-D装置上由弹丸注入触发H模实验，其L-H转换是在弹丸注入后12 ms产生的，而弹丸消融时间一般小于1 ms.HL-2A装置15885次放电在SMBI过程中产生高频颤动H模，随后进入稳定的H模，这说明SMBI起到了一个触发L-H转换的作用.在SMBI期间，实验也观察到中性气体压强相对较低，表明器壁粒子再循环比普通送气低.与GP相比，更少的注入粒子被器壁吸附，使得再循环水平降低，减小了由于再循环粒子而引起的功率损失，装置再循环低不仅有利于控制等离子体密度，对降低L-H转换阈值功率也起着重要作用.实验表明，SMBI是HL-2A装置上降低L-H转换阈值功率的有效方法，为研究降低托卡马克装置L-H转换阈值功率提供了一种可能的途径.

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