One of the key challenges for future fusion research is to mitigate the high steady-state heat load on the divertor target plates, and divertor detachment offers a promising solution. The Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) has developed several feedback control methods for divertor detachment. However, when an off-normal event momentarily disturbs the main plasma, impurity seeding may still be conducted by these methods for detachment, which probably drives the main plasma further away from its stable equilibrium or even causes the disruption. These off-normal events include excessive impurity seeding, loss of heating and dust droplets, which are not rare in current tokamak experiments, especially in long-pulse operation. To compensate for the drawbacks of these methods, we propose and develop a module of stored-energy monitoring to ensure stable plasmas in long-pulse operation. The stored energy usually decreases when the main plasma is away from its stable equilibrium, which is suitable for monitoring the state of the main plasma. Once the stored energy falls below a certain threshold, the module actively switches off the impurity seeding system. Without impurity seeding, the main plasma can recover with the increase in the stored energy. Only when the stored energy exceeds another threshold does the module switch on the impurity seeding to continue the detachment operation. The module function has been verified during the EAST radiative divertor experiments in the newly-upgraded lower tungsten divertor. A typical ∼20 s discharge in grassy-ELM H-mode regime with ∼5 MW source heating power is demonstrated with divertor partial detachment and good energy confinement by active impurity seeding (50% neon, 50% D2). The energy confinement factor is maintained at a high level, i.e. The electron temperature in the core region only has a slight change after the impurity seeding, while the electron density has a ∼10% increase. Furthermore, the ion temperature near the axis also has a remarkable increase. These achievements provide an important demonstration of the actively controlled radiative divertor mitigating the heat loads with good core confinement, which is an essential step toward steady-state operation of fusion reactors.
将来の核融合研究における主要な課題の一つは、ダイバータ標的板への高い定常熱負荷を低減することであり、ダイバータ・ディタッチメントは有望な解決策を提供する。実験先進超伝導トカマク(EAST)は、ダイバータ・ディタッチメントのためのいくつかのフィードバック制御法を開発してきた。しかしながら、異常事象が主プラズマを瞬間的に擾乱すると、これらの方法によるディタッチメントのための不純物シーディングが依然として実施される可能性があり、その結果、主プラズマをその安定平衡からさらに遠ざけたり、さらにはディスラプションを引き起こしたりする可能性がある。これらの異常事象には、過剰な不純物シーディング、加熱の喪失、ダスト粒子が含まれ、これらは現在のトカマク実験、特に長時間パルス運転において珍しくない。これらの方法の欠点を補うために、我々は長時間パルス運転における安定したプラズマを確保するための蓄積エネルギー監視モジュールを提案し、開発する。蓄積エネルギーは、主プラズマが安定平衡から離れているときに通常減少し、これは主プラズマの状態を監視するのに適している。蓄積エネルギーが特定のしきい値を下回ると、モジュールは能動的に不純物シーディングシステムを停止する。不純物シーディングなしでは、主プラズマは蓄積エネルギーの増加とともに回復できる。蓄積エネルギーが別のしきい値を超えた場合のみ、モジュールは不純物シーディングをオンにしてディタッチメント運転を継続する。モジュール機能は、新たにアップグレードされた下部タングステンダイバータにおけるEAST放射ダイバータ実験中に検証された。∼20 sの典型的な放電が、grassy-ELM Hモード領域において、∼5 MWのソース加熱パワーで、ダイバータ部分ディタッチメントと良好なエネルギー閉じ込めを、能動的不純物シーディング(50%ネオン、50% D2)により実証された。エネルギー閉じ込め係数は高いレベルに維持されている、すなわち、コア領域の電子温度は不純物シーディング後、わずかに変化するだけであり、電子密度は∼10%増加する。さらに、軸近傍のイオン温度も顕著に増加する。これらの成果は、良好なコア閉じ込めを伴う熱負荷を低減する能動制御型放射ダイバータの重要な実証を提供し、核融合炉の定常運転に向けた本質的なステップとなる。