托卡马克等离子体在破裂时，能量在极短的时间内沉积到装置第一壁材料，会直接导致材料损伤，影响装置运行安全。在ITER和CFETR等装置上，由于高储能和大电流等因素，破裂造成的损伤更加严重，破裂期间形成于等离子体表面的晕电流会直接威胁内部部件安全。利用偏滤器部件的电流传感器，课题组研究了类ITER钨铜偏滤器和石墨偏滤器晕电流结构特征，指出了垂直位移深度是决定靶板晕电流份额的最主要原因，得到了类ITER偏滤器晕电流实验定标关系(图1)，为未来偏滤器设计提供了可靠的实验支撑。
在逃逸电子方面，课题组系统研究了EAST装置破裂期间逃逸电子的产生和损失过程(图2)，指出了低杂波共振加热产生的超热电子对逃逸种子的贡献，分析了磁流体不稳定性等对逃逸电子损失的影响。在放电平台期间发现了两种逃逸电子产生机制的分叉现象，直接证实了理论预测的逃逸电子产生存在两个阈值电场，即Dreicer电场和雪崩效应阈值电场，深化了对雪崩效应的认识。
由于破裂原因复杂且发展速度太快，利用传统算法或单一神经网络算法，较难实现高准确率的破裂预测。课题组基于大数据处理，提出一种深度机器学习的算法，预测模型能实现超过85%的破裂，平均提前预警时间大于50毫秒。模型能兼顾常规的几种破裂放电识别。同时，课题组在EAST控制系统PCS上建立了基于随机森林模型的高密度破裂预测模块(DPRF)，并开展了演示实验(图3)：DPRF以PCS提供的实时信号作为输入计算破裂概率，并将计算的破裂概率传递给警报系统，当破裂概率达到设定的阈值且持续超过10 ms的时候，警报系统就给MGI系统发出信号，再由MGI系统往等离子体中充入杂质气体，有效缓解破裂对装置的损伤。
相关研究工作主要由曾龙、陈大龙、胡文慧、唐天、郭笔豪和朱翔等人完成。研究工作得到国家重点研发计划、中科院青年创新促进会、国家自然科学基金等的资助。
图1.晕电流与环向不对称因子
图2.EAST破裂期间逃逸电子行为
图3.EAST装置包含实时高密度破裂预测模块和MGI的破裂防护闭环控制系统