托卡马克装置等离子体平衡和控制(2)

托卡马克装置等离子体平衡和控制 2 HT 7 ASIPP 罗家融InstituteofPlasmaPhysics ChineseAcademyofSciences2005 03 29 托卡马克装置等离子体平衡和控制 HT 7 ASIPP 非圆截面等离子体平衡反演技术托卡马克装置等离子体电磁测量概述HT 7等离子体平衡和控制EAST等离子体电流 X点位置和位形控制 非圆截面等离子体平衡反演技术 HT 7 ASIPP 托卡马克中外部磁测量可以提供有关等离子体形状 以及总体电流分布参数的重要信息 诸如平均角向与等离子体内感一半的和 对于足够拉长的等离子体来说 和是分离的 当能得到的信息只限于外部磁测量时 仅仅可以确定电流分布的总体参数 非圆截面等离子体平衡反演技术介绍 HT 7 ASIPP 平衡反演算法 EFIT 是一种计算机程序 它可以将等离子体的诊断测量信号转化成为如等离子体几何尺寸 储存的能量 电流剖面分布等等有用的信息 而这些测量信号是从物理诊断中得到的 物理诊断包括外部磁探针 外部极向磁通大环和MSE 一种测量等离子体内部的磁力线方向的诊断工具 描叙等离子体压力平衡的GradShafranov平衡方程可以通过环向电流密度限制上有用的测量信号得到它的解 既然等离子体电流同样依靠GradShafranov平衡方程的解 因此这是一个非线性最优化的问题 平衡限制允许两维的电流密度可以用两个一维的流函数 它们是关于磁通的函数 来代替 这就大大减少了问题的复杂性 平衡反演算法的历史 HT 7 ASIPP 自从V D Shafranov博士发表了著名的GradShafranov平衡理论以来 许多建立在GradShafranov平衡方程基础上的MHD平衡算法得到了发展 通过应用这些算法不仅较好地解决了等离子体平衡的不稳定性 而且在1972到1979年间还用来设计产生等离子体线圈的形状 平衡反演算法的历史 HT 7 ASIPP 1980年到1982年Dr Luxon Dr D W Swian说明了在一个非线性托卡马克装置中 除了一般等离子体的形状以外 等离子体外部的磁测量数据既可以决定等离子体的能量储存又可以很好地决定等离子体的电流剖面分布 但速度较慢一次反演约需30分钟 MFIT程序采用的是用网格电流模拟等离子体电流剖面分布 因此它的计算并不复杂但精确度不够 EFIT程序保留了MFIT网格电流程序的计算效率通过交叉和迭代反演来得到等离子体的最优解 借助等离子体平衡来约束等离子体电流的分布 提高了精度 平衡反演算法的历史 HT 7 ASIPP Dr Lang Lao改进了Luxon的算法 改进后的算法可以分析等离子体实验过程中两炮 大约5分钟 之间的数据 效率大为提高 1985年以后Lang Lao博士建立了一个动力学模型 该模型需要更多的物理诊断数据 同时也能够提供更多的等离子体信息 这样EFIT程序就成为一个分析等离子体各种参数的强大工具 现在在一个HP735工作站上 一个典型的平衡重构大约只需要几秒钟 平衡反演算法的历史 HT 7 ASIPP 在1992年 Dr J R Ferron编写了一套实时EFIT RTEFIT 程序 该程序已经可以用在等离子体放电物理实验控制中 从此以后 RTEFIT模型就成为现代核聚变物理装置控制中的一个热门话题 科学家们在不同的核装置建立了很多算法 到目前为止 EFIT程序都是分析等离子体各种特性和控制等离子体运行方面的强大工具 平衡反演算法的功能 HT 7 ASIPP 1 得到等离子体的信息 2 通过磁场结构分析实验测量结果 3 可以进行固定边界和自由边界的平衡计算 4 为新的实验装置发展位形控制算法 5 设计新的实验装置 6 重构磁场形状 7 等离子体运行 8 分析物理诊断信号 9 为输运和不稳定性计算提供基本磁面信息 10 设计新的电流分布的诊断手段的验证工具 解Grad Shafranov平衡方程过程 HT 7 ASIPP 边界条件 采用有限差分方程组的解决方案 HT 7 ASIPP 将解偏微分的问题转化为解差分方程的过程 平衡反演算法的具体过程 HT 7 ASIPP 1假设初始等离子体电流分布2计算由在计算边界上产生的磁通值做为边界条件3求解Grad Shafranov方程 求出 确定等离子体边界4求解最小二乘问题 确定参数5计算等离子体电流密度分布6重复步骤2 3 4 5 直到满足一定的收敛条件 托卡马克等离子体的电磁测量 HT 7 ASIPP 无论是在天体等离子体还是实验室等离子体的运动规律中 磁场都起着十分重要的作用 特别是在磁约束热核实验装置中 存在着强大的磁场 这些磁场是由在外导体中或等离子体本身流动的电流所产生的 等离子体和磁场间存在着强烈的相互作用 我们就是利用这种相互作用来约束高温等离子体 等离子体中磁场的位形决定了等离子体的约束特性 宏观平衡和稳定性等 这样 要完全地了解磁约束等离子体的运动规律 就必须研究其中的磁场的空间分布及瞬时变化规律 托卡马克等离子体的电磁测量 HT 7 ASIPP 等离子体内部磁场的测定方法大致可分为两类一类是探针测量方法 其中最常用的是感应式磁探针 一类是光谱方法 即利用磁场对等离子体辐射的影响 例如塞曼效应 法拉第效应等 来测定沿观测方向上等离子体内的平均磁场 托卡马克等离子体的位移测量 HT 7 ASIPP 对称探针利用正弦和余弦线圈测量等离子体电流重心位置单匝环测量等离子体外磁面的中心位置利用小探针的空间傅里叶分析法测量等离子体外磁面的中心位置 电磁测量积分器 HT 7 ASIPP RC无源积分器有源积分器中积分器全软件数字量积分器部分模拟量 部分数字量相结合积分器 托卡马克装置的运行调试 HT 7 ASIPP 影响托卡马克装置放电特性的因素很多 其中象杂散场 杂质等对等离子体参数的影响很明显 杂散场对等离子体的行为带来严重的影响 HT 7 ASIPP 1 杂散场将使等离子体发生附加位移 导致放电特性伏安曲线不对称 并影响击穿时间和击穿压强 2 轴对称多极杂散场将使磁面截面发生形变 3 环向场平均波纹度超过1 离子热导损失显著增加 对杂散场水平的要求 HT 7 ASIPP 在等离子体区 杂散场超过0 1 将对等离子体的击穿压强 击穿时间 放电特性及等离子体的约束产生明显的影响 环向场平均波纹度应控制在1 以下 否则离子热导损失会明显增加使电磁系统对赤道面尽量对称 HT 7总控系统的组成 HT 7 ASIPP 总控台PF控制系统密度反馈控制系统定时触发系统LHCD反馈控制系统ICRH控制系统放电监控系统事件触发系统手动微调位移反馈控制系统 HT 7 ASIPP 总控台 HT 7 ASIPP 主要功能是可以设置参数 浏览预设曲线 反馈曲线 集成的系统有PF控制 密度控制 定时触发系统 以及控制信号数据的显示 文件服务系统的数据格式进行了统一 以适用GT7看图的数据格式为标准 PF控制系统和密度控制系统的数据格式都统一到这个标准下了 定时触发系统 HT 7 ASIPP 主要提供各种定时触发和一道16M外时钟秒级信号 16道毫秒级信号 20道左右时钟频率 16M各种触发的光隔离器 事件触发系统 HT 7 ASIPP 输入放电时需要检测的信号 根据要求实时的对信号进行检测 如频率检测 幅值检测 检测结果实时的通过DA或者IO接口输出 现在该系统主要针对的是MHD的实时检测和处理 手动微调位移反馈控制系统 HT 7 ASIPP 在长脉冲放电时 由于放电的条件的变化 PF反馈控制系统的控制效果变差 需要Operator根据实际放电的反馈数据进行手动微调 手动微调的值将实时的和当前的预设数据进行迭加 迭加的结果输出给PF反馈控制系统来控制放电 系统借用PS2的游戏控制手柄接入计算机的并口作为手动微调的输入端 手动微调位移反馈控制系统 HT 7 ASIPP DA输出 手动调整量 预设参数 PF控制机 DA输出到极向场 EAST控制和数据系统设计方案 1 HT 7 ASIPP ThecomposeofHT7UDCS EAST控制和数据系统设计方案 2 HT 7 ASIPP TheMainControlSystem MCS EAST控制和数据系统设计方案 3 HT 7 ASIPP ThestructureoftheDDS EAST位形控制系统设计的难度 HT 7 ASIPP 通常托卡马克的极向场由平衡成形场和欧姆加热场组成 对EAST 采用了所谓极向场一体化设计 即 加热场不仅提供伏秒数变化而且参加平衡和成形 同样 平衡场不仅维持等离子体平衡位形 而且也提供部分伏秒数变化 这样的设计简化了托卡马克的极向场系统 但使等离子体电流和平衡位形的同时控制变得比较复杂 在纯欧姆放电的情况下 由于所有极向场线圈上的电流均要变化才能维持等离子体电流而与此同时极向场线圈上电流的变化一定造成平衡和成形磁场的变化 因此 从严格意义上讲 在一体化设计的基础上 在纯欧姆放电时电流和平衡位形同时得到维持是有一定难度的 EAST ASIPP 世界上现有装置极向场线圈区分单独的欧姆加热和等离子体位形控制电流 并且靠近等离子体 ASIPP EAST的运行和控制 1 EAST的所有平衡位形全部由外部极向场线圈产生 由于一个特定的位形是由全部极向场线圈产生因此对位形的同时控制也只能用全部极向场线圈完成 此时电源 测量和负载线圈构成的系统的响应时间常数决定了这种控制方法可能控制的最快位形变化 2 EAST几种典型平衡位形及其相互关系基本设计位形 具有双零 或单零 偏滤器的大拉长非圆小截面 其他灵活性为 具有双零 或单零 偏滤器的中等拉长度下获得尽可能大体积等离子体的平衡位形 具有最大体积等离子体的位形 3 更方便对等离子体位置和形状进行灵活的控制控制执行命令是所有极向场电流的叠加极向场系统的运行和控制变得更为复杂 EAST EAST ASIPP EAST位形控制系统的算法 EFIT是在DIII D托卡马克装置上开发研制的等离子体平衡拟合程序 目前 在DIII D JET JT60U ASDEX U等装置上 EFIT已广泛用于场形设计 实验运行 诊断数据集成分析等方面 按照其基本算法改写的程序 也已运用于很多装置的等离子体电流和位形实时反馈运行中 EAST ASIPP 实时位形控制系统算法的基本前提 一个前提条件是 如果起始点平衡和一个好的重建之间的差距充分小 经过一次迭代解就和收敛重建十分接近足以进行放电控制 另一前提是 一次迭代就可以使实时算法跟上放电发展中平衡的变化 EAST ASIPP 实时位形控制系统算法的基本思路 在实时平衡重建算法中 节省从诊断数据出发经过多次迭代求的一个收敛解的时间 对于每一次新的平衡重建 取得一个新的诊断数据 最近的平衡解被当作起始点 仅做一次迭代 如果平衡发展得不快 相对于上次解的变化仅用一次迭代就可解决 因此结果的准确性足以进行放电控制 如果平衡发展得非常缓慢两次诊断数据之间没有变化 那么这个算法和离线算法是相同的 EAST ASIPP EAST位形控制系统的硬件结构简解 ASIPP EAST位形控制的电磁测量 EAST ASIPP EASTTokamak位形控制数据采集和数据传输 多道电磁测量一台采集机器无法承担 势必需要多台采集机器 为了节约计算的时间和精度 原则上采集和计算分开 为了控制的准确 每毫秒发出控制命令 假设采集150道控制信号 精度12位 那么每秒1 440 000波特率的数据传输是几乎不可能达到的 网络存在阻塞和错误 有HT7的经验 因此我们可以采用 1 DSP硬件实现计算控制形式 用3到4个VXI机箱实现 2 高速网络集群形式 用3到5个64位计算机通过Myrinet实现 EAST EAST ASIPP Myricom公司提供网卡和交换机 其单向互连速度最高可达到2Gbps E型卡 号称达到 3 96Gbits s Myrinet提供直接点到点 基于集线器或基于交换机的网络配置 两个直接连接的节点之间的平均延迟是5到18微秒 这要比以太网快得多 而Myricom公司硬件连接可以绕过TCP IP七层协议 不但减少了延迟时间 还大大降低了所占用的CPU资源 高速网络集群形式 EAST ASIPP 计算机之间数据交换用Myrinet网络 每秒2 0GigabitsPCI接口板为了连接到远程控制 使用光导纤维的接口Linux开放资源驱动程序和软件在板DMA传输方式不占用CPU资源使用的 直接发送 的方式 将数据发送到目的地CPU所定义的地址多口的交换机为增加控制计算机提供了方便的可扩充性 EAST ASIPP 数据获得用D TACQPCI板卡 每块板上96个通道 每计算机上可插2块板卡16位分辨率 10伏Linux开放资源驱动程序和软件第1块板卡的DMA传输时间为7微秒 其他的板卡为1微秒每1块板卡传送到系统内存的时间为1微秒EAST需要2块板卡 157通道 3通道备用 160个通道的低通滤波器 1KHz EAST位形控制的要求 等离子体的平衡由外部极向场系统完成 该系统除了能够提供按平衡计算所提出的各场波形外还应具备以下几点功能 1 能在各种放电条件下稳定保持等离子体径向位置 大半径方向 的变化在1cm之内 2 为满足特殊物理实验 等离子体