托卡馬克的啟動(dòng)與等離子體成形控制研究課件

1、托卡馬克的啟動(dòng)與等離子體成形控制研究肖炳甲、張錦華、李弘 等中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所西南物理研究院中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)匯報(bào)內(nèi)容項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題技術(shù)路線(xiàn)、創(chuàng)新處及可行性分析研究基礎(chǔ)、條件和團(tuán)隊(duì)立項(xiàng)科學(xué)意義托卡馬克啟動(dòng)直接關(guān)系到等離子體的品質(zhì)和順利運(yùn)行系統(tǒng)的伏秒數(shù)是寶貴資源，因此低環(huán)電壓擊穿和優(yōu)化的電流上升可節(jié)約此資源，同時(shí)低環(huán)電壓也是超導(dǎo)裝置的要求優(yōu)化的擊穿和電流上升可降低對(duì)系統(tǒng)的要求尤其是對(duì)超導(dǎo)線(xiàn)圈的要求優(yōu)化的電流上升可有效控制電流剖面優(yōu)化的電流上升可減少等離子體與壁相互作用項(xiàng)目科學(xué)意義等離子體位形控制是先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行的必要條件控制等離子體刮削層（S

2、OL）與第一壁的距離以避免熱等離子體對(duì)第一壁的燒蝕和損傷；精確地控制最后封閉磁面與射頻天線(xiàn)的距離以獲取射頻波與等離子體的更好耦合與天線(xiàn)保護(hù)的優(yōu)化；精確的控制偏濾器位形以利于快速排灰、控制再循環(huán)、能量粒子輸運(yùn)和偏濾器保護(hù)的綜合考慮良好的形狀控制提高等離子體的約束性能，提高穩(wěn)定性區(qū)間項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)意義為在我國(guó)的核聚變裝置上建立高水平的控制模式，建立良好的等離子體運(yùn)行平臺(tái)為ITER開(kāi)展相關(guān)的運(yùn)行區(qū)間研究、控制模式研究和啟動(dòng)模式研究，為我國(guó)培養(yǎng)相關(guān)的托卡馬克等離子體控制運(yùn)行的研究人才，以利全面參與ITER運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)國(guó)際研究現(xiàn)狀等離子體啟動(dòng)運(yùn)行和控制是ITER重要物理基礎(chǔ)之一（ITER Physics Ba

3、sis, Chapter 8)JET,DIII-D, JT-60上都有各自的低環(huán)電壓?jiǎn)?dòng)研究和針對(duì)ITER的優(yōu)化研究ITER上有基于模擬的運(yùn)行區(qū)間研究，如TSC，在各大裝置上驗(yàn)證大量的形狀控制研究如TCV，DIIID，JET和JT60大量的等離子體平衡反演、位形演化、垂直位移、等離子體與裝置間的響應(yīng)模型研究以及與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1HL-2A上通過(guò)優(yōu)化控制方法和技術(shù)，獲得了連續(xù)23次穩(wěn)定重復(fù)的偏濾器位形放電國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展2HL-2A上卓有成效地開(kāi)展了大功率ECR加熱實(shí)驗(yàn)在軸加熱時(shí)電子溫度的絕對(duì)測(cè)量結(jié)果在軸加熱時(shí)的電子溫度空間分布HL-2A上還實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的密度控制、環(huán)向場(chǎng)控制、水

4、平場(chǎng)控制HL2A上開(kāi)展了低環(huán)電壓?jiǎn)?dòng)和電流上升研究EFIT反演和TSC放電模擬研究國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展3HT7上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)400s的穩(wěn)定等離子體放電，開(kāi)展了交流放電模式研究，證明了良好的穩(wěn)定的控制系統(tǒng)HT7上開(kāi)展了LHW下的低環(huán)電壓?jiǎn)?dòng)研究，EAST上實(shí)現(xiàn)了偏濾器位形的最長(zhǎng)達(dá)9秒，最大電流500kA，最大拉長(zhǎng)1.9的穩(wěn)定的偏濾器位形的放電國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展4其他還開(kāi)展了放電模擬、位形反演、平衡計(jì)算、平衡理論、垂直位移不穩(wěn)定性、裝置運(yùn)行區(qū)間等研究然而，EAST上尚未建立起磁面位形反饋控制系統(tǒng)，而建立良好控制，需要研究等離子體啟動(dòng)、等離子體在不同模式下的響應(yīng)，這也是各個(gè)實(shí)驗(yàn)階段重要的研究?jī)?nèi)容之一改造后的HL2A

5、上將有大拉長(zhǎng)位形，形狀控制和垂直位移控制將是主要課題之一EAST上超導(dǎo)磁體特性要求開(kāi)展小誤差和低電流變化研究，要求對(duì)等離子體行為的預(yù)測(cè)研究EAST上大電流、大拉長(zhǎng)、長(zhǎng)時(shí)間下的穩(wěn)定運(yùn)行控制是主要物理內(nèi)容之一國(guó)內(nèi)的啟動(dòng)研究尚不夠全面和深入，HL2A，EAST和JTEXT提供了極好的平臺(tái)研究目標(biāo)優(yōu)化等離子體的擊穿條件和上升條件，研究?jī)纱笱b置上的等離子體運(yùn)行區(qū)間。完善現(xiàn)有裝置HL2A、EAST和其他裝置上的等離子體控制手段和分析手段，控制等離子體形狀，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)條件下穩(wěn)定的等離子體放電，為ITER建設(shè)和運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)，為在我國(guó)兩大裝置上開(kāi)展高水平的物理實(shí)驗(yàn)提供控制和等離子體啟動(dòng)保證。研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線(xiàn)

6、1：低環(huán)電壓?jiǎn)?dòng)研究等離子體擊穿過(guò)程和等離子體電流初始上升模擬數(shù)值模擬雜質(zhì)、氣壁條件對(duì)等離子體啟動(dòng)的影響硼化、硅化以改善氣壁條件，電阻、輻射量熱測(cè)量等；優(yōu)化環(huán)電壓、預(yù)電離與初始加熱LHW，ICRF，ECR投入時(shí)刻和功率充氣壓力和氣體成分真空?qǐng)鲈诘入x子體建立的反演；內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括真空室對(duì)等離子體啟動(dòng)和控制的影響渦流計(jì)算與測(cè)量研究?jī)?nèi)容2：等離子體電流上升等離子體啟動(dòng)的放電模式，MHD穩(wěn)定區(qū)間，伏秒優(yōu)化數(shù)值模擬（TSC，DINA）和實(shí)驗(yàn)結(jié)合,HL2A上主要快電流上升、EAST慢上升等離子體上升時(shí)的位置和形狀控制磁面重構(gòu)（EFIT）；等離子體位置的準(zhǔn)確估計(jì)和控制（RZIP）；成形（RTEFIT/ISOF

7、LUX）；優(yōu)化伏秒消耗；等離子體電流剖面和安全因子分布；主動(dòng)吹氣、電流驅(qū)動(dòng)手段，上升速率研究?jī)?nèi)容3：等離子體位形演化控制研究磁面、電流和壓力剖面反演研究（EFIT）等離子體響應(yīng)模型的研究RZIP剛性模型、CREATE-L模型、Dina模型等；等離子體垂直不穩(wěn)定性的研究；磁通演化與等離子體行為的關(guān)系；單輸入單輸出（SISO）的各控制環(huán)節(jié)間的解偶和控制參數(shù)優(yōu)化多輸入多輸出控制器(MIMO)設(shè)計(jì)研究；最小化線(xiàn)圈電流波動(dòng)，減少線(xiàn)圈的渦流損耗，探討等離子體在不穩(wěn)定性時(shí)如monster sawtooth和type I ELMy時(shí)極向場(chǎng)線(xiàn)圈在限制條件下的的平衡控制能力。磁面反演和位形反饋控制：EAST例研究

8、問(wèn)題：精確快速的磁面和剖面反演更多測(cè)量手段和約束下的磁面反演真空室渦流對(duì)磁面快速反演的影響和修正等離子體響應(yīng)模型及與控制解偶矩陣的估計(jì)和控制參數(shù)的優(yōu)化關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題等離子體、主動(dòng)線(xiàn)圈、被動(dòng)結(jié)構(gòu)、以及與控制系統(tǒng)包括電源、控制算法和信號(hào)采集傳遞等系統(tǒng)間的關(guān)系等離子體的雜質(zhì)控制，電磁擴(kuò)散和能量粒子耗散的關(guān)系。特色與創(chuàng)新直接服務(wù)并參加大科學(xué)工程裝置的物理實(shí)驗(yàn)，本身也是受控核聚變研究的前沿課題。特別的，我們裝置的等離子體位形、極向場(chǎng)線(xiàn)圈特性和布局與ITER相似，它的等離子體形狀控制幾乎是ITER的預(yù)演，在ITER建成之前為ITER運(yùn)行提供寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。EAST超導(dǎo)特性為開(kāi)展ITER需要的低電壓?jiǎn)?dòng)

9、和平穩(wěn)控制提供了極重要的參考依據(jù)。技術(shù)路線(xiàn)等離子體形狀控制基于高精度的電磁測(cè)量，實(shí)時(shí)和離線(xiàn)反演關(guān)鍵參數(shù)，借鑒其他診斷措施如邊界探針測(cè)量驗(yàn)證反演結(jié)計(jì)算上基于實(shí)時(shí)LINUX系統(tǒng)下的服務(wù)器集群，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算需要靈活增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)提高運(yùn)算速度；采集硬件上基于多通道實(shí)時(shí)同步采集?？刂苾?yōu)化基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的仿真模型擊穿和初始上升優(yōu)化基于預(yù)期與反演真空?qǐng)?；?yōu)化充氣時(shí)機(jī)和速率；優(yōu)化輔助啟動(dòng)措施如射頻波的功率和投入時(shí)刻；利用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的托卡馬克和等離子體響應(yīng)模型優(yōu)化等離子體啟動(dòng)模式，可行性等離子體形狀反演控制的方法已經(jīng)在世界各大裝置上得到了實(shí)現(xiàn)和證實(shí)；EAST上已進(jìn)行了偏濾器位形的放電，程序場(chǎng)控制下的位形已得到

10、了較穩(wěn)定的等離子體位形，磁面反演也得到了較好的精度；HL2A上也得到了偏濾器位形的放電。主要的程序如EFIT， TSC等在我國(guó)已經(jīng)離線(xiàn)運(yùn)行了多年。托卡馬克的控制仿真已得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證在DIII-D的控制系統(tǒng)上運(yùn)行了多年，DIIID上所有的新的控制算法都要作仿真模擬。EAST上已經(jīng)建立了EAST的仿真模型，為首輪等離子體放電和偏濾器等離子體放電的控制提供了重要的參數(shù)依據(jù)。并繼續(xù)完善HL2A上也有相關(guān)的仿真系統(tǒng)，可在本項(xiàng)目中得到完善。可行性（續(xù)）擊穿和初始上升的初步研究已經(jīng)在EAST和HL1A上開(kāi)展，等離子體的放電模擬已對(duì)EAST（如PST10(2008) 8）和HL2A的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，取得了較

11、為一致的結(jié)果參與本項(xiàng)目的主要人員長(zhǎng)期從事等離子體控制和運(yùn)行，并且本項(xiàng)目的主要內(nèi)容是兩大裝置的運(yùn)行基礎(chǔ)，由于兩大裝置可演示和解決未來(lái)裝置上的一系列控制問(wèn)題，已經(jīng)得到了國(guó)際聚變界的高度重視，建立了良好的合作關(guān)系。如我們的兩大裝置均與美國(guó)DIIID國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室建立了密切的合作關(guān)系。研究基礎(chǔ)與條件大科學(xué)工程裝置HT7，EAST，HL2A及國(guó)內(nèi)其他裝置JTEXT等的支撐在數(shù)值模擬上，我們已積累了PCSsimserver，TSC，EFIT/rtEFIT, COSICA,EQ與DIIID，PPPL, LLNL，日本的NIFS和JAEA等的緊密合作中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）（2002-現(xiàn)在） 我國(guó)第一個(gè)帶有偏濾器的大型托卡馬克裝置，等離子體電流達(dá)到433千安, 縱向磁場(chǎng)2.7特斯拉，等離子體密度81019/m3，等離子體電子溫度5500萬(wàn)度，具備了開(kāi)展近堆芯等離子體物理實(shí)驗(yàn)的能力。獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)15項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，獲國(guó)家專(zhuān)利5項(xiàng)?，F(xiàn)有條件及基礎(chǔ)HL2A上的ECR系統(tǒng)可為開(kāi)展啟動(dòng)和加熱提供極好條件HL-2A裝置供電系統(tǒng)現(xiàn)有條件及基礎(chǔ)具有主動(dòng)冷卻全石墨第一壁的EAST為我們的研究提供良好的平臺(tái)全石墨壁的等離子體建立初期（20