[论文解读] High flux expansion divertor studies in NSTX

V. Soukhanovskii, R. Maingi+11 more|ArXiv.org|Dec 21, 2009

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过改变X点高度（$h_X$），在国家球形托卡马克实验（NSTX）中调查了高通量扩展偏滤器构型，以减少偏滤器靶板上的峰值热流。当环向通量扩展从6增加到26时，峰值热流从7–8 MW/m²降低至1–2 MW/m²，表明通量扩展是热流减少的主导机制，且在低$h_X$时偏滤器接近脱离状态。结果支持在紧凑型球形托卡马克中采用高通量扩展以缓解热负荷并改善等离子体性能。

ABSTRACT

High flux expansion divertor studies have been carried out in the National Spherical Torus Experiment using steady-state X-point height variations from 22 to 5-6 cm. Small-ELM H-mode confinement was maintained at all X-point heights. Divertor flux expansions from 6 to 26-28 were obtained, with associated reduction in X-point connection length from 5-6 m to 2 m. Peak divertor heat flux was reduced from 7-8 MW/m$^2$ to 1-2 MW/m$^2$. In low X-point configuration, outer strike point became nearly detached. Among factors affecting deposition of parallel heat flux in the divertor, the flux expansion factor appeared to be dominant

研究动机与目标

• 调查偏滤器几何形状，特别是X点高度（$h_X$），对球形托卡马克中热流和粒子流的影响。
• 评估高通量扩展是否能在紧凑、高性能H模等离子体中将偏滤器靶板上的峰值热流降低至可接受水平。
• 评估通量扩展相对于其他损失机制（如传导、辐射）在偏滤器热流缓解中的作用。
• 确定外击中点脱离的条件，并评估粒子循环的改善情况。

提出的方法

• 在1 MA和6 MW中性束加热条件下，系统性地将下拉单零H模放电中的X点高度（$h_X$）从5–6 cm调节至18–22 cm。
• 通过调节偏滤器PF1A线圈电流（10–18 kA）维持稳态构型，实现对等离子体垂直位置的逐 shot 控制。
• 利用红外热成像、光谱滤波相机、紫外-可见光谱法和压力计测量偏滤器参数，以评估$T_e$、$n_e$、$q_{pk}$、$D_\alpha$亮度和中性压力。
• 计算通量扩展因子$f_{exp} \simeq (B_\theta/B_{tot})^{MP}/(B_\theta/B_{tot})^{SP}$以及连接长度$L_X$和$L_c$，以量化几何效应。
• 使用$q_{\parallel} = q_{pk}/\sin\gamma$将峰值热流映射至中平面，其中$\gamma$为磁力线入射角。
• 利用测量的$q_{pk}$、$P_{div}$和$T_e$分布，分析通量扩展、传导和辐射损失对热流减少的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高三角形度球形托卡马克等离子体中，改变X点高度（$h_X$）如何影响偏滤器靶板上的峰值热流？
• RQ2 通量扩展在多大程度上主导了其他损失机制（如传导、辐射）对偏滤器热流的减少作用？
• RQ3 降低$h_X$是否导致外击中点脱离？有何证据支持？
• RQ4 偏滤器几何形状如何影响偏滤器区域的中性压力、粒子循环和氘气压缩？
• RQ5 在决定偏滤器性能时，$h_X$、通量扩展因子$f_{exp}$和连接长度$L_X$之间存在何种关系？

主要发现

• 在高$h_X$（18–22 cm）时，峰值偏滤器热流为7–8 MW/m²，而在低$h_X$（5–6 cm）时降低至1–2 MW/m²，表明与$h_X$存在显著的反比相关性。
• 当$h_X$从23 cm降低至7 cm时，通量扩展因子$f_{exp}$从约6增加至约26，表明存在显著的几何通量扩散。
• 在低$h_X$时，偏滤器$T_e$降低而$n_e$升高，重组速率和$D_\alpha$亮度升高，表明外击中点正接近脱离状态。
• 偏滤器压缩因子$P_{div}/P_{mid}$随$h_X$减小近似线性增加，表明中性粒子捕获改善且循环效率降低。
• 随着$h_X$降低，X点到靶板的连接长度$L_X$从2 m增加至5–6 m，而中平面到靶板的长度$L_c$保持在15±2 m左右基本不变。
• 峰值偏滤器功率$Q_{div}$在1.5–2 MW之间弱变化，表明低$h_X$时辐射功率增加对热流减少有贡献。