托卡马克的启动与等离子体成形控制研究

托卡马克的启动与等离子体成形控制研究 肖炳甲 张锦华 李弘等中国科学院等离子体物理研究所西南物理研究院中国科学技术大学 汇报内容 项目的立项依据项目的研究内容 研究目标以及拟解决的关键问题技术路线 创新处及可行性分析研究基础 条件和团队 立项科学意义 托卡马克启动直接关系到等离子体的品质和顺利运行系统的伏秒数是宝贵资源 因此低环电压击穿和优化的电流上升可节约此资源 同时低环电压也是超导装置的要求优化的击穿和电流上升可降低对系统的要求尤其是对超导线圈的要求优化的电流上升可有效控制电流剖面优化的电流上升可减少等离子体与壁相互作用 项目科学意义 等离子体位形控制是先进托卡马克运行的必要条件控制等离子体刮削层 SOL 与第一壁的距离以避免热等离子体对第一壁的烧蚀和损伤 精确地控制最后封闭磁面与射频天线的距离以获取射频波与等离子体的更好耦合与天线保护的优化 精确的控制偏滤器位形以利于快速排灰 控制再循环 能量粒子输运和偏滤器保护的综合考虑良好的形状控制提高等离子体的约束性能 提高稳定性区间 项目的现实意义 为在我国的核聚变装置上建立高水平的控制模式 建立良好的等离子体运行平台为ITER开展相关的运行区间研究 控制模式研究和启动模式研究 为我国培养相关的托卡马克等离子体控制运行的研究人才 以利全面参与ITER运行和实验 国际研究现状 等离子体启动运行和控制是ITER重要物理基础之一 ITERPhysicsBasis Chapter8 JET DIII D JT 60上都有各自的低环电压启动研究和针对ITER的优化研究ITER上有基于模拟的运行区间研究 如TSC 在各大装置上验证大量的形状控制研究如TCV DIII D JET和JT 60大量的等离子体平衡反演 位形演化 垂直位移 等离子体与装置间的响应模型研究以及与实验的验证和实验应用 国内研究现状1 HL 2A上通过优化控制方法和技术 获得了连续23次稳定重复的偏滤器位形放电 国内研究进展2 HL 2A上卓有成效地开展了大功率ECR加热实验 在轴加热时电子温度的绝对测量结果 在轴加热时的电子温度空间分布 HL 2A上还实现了稳定可靠的密度控制 环向场控制 水平场控制HL 2A上开展了低环电压启动和电流上升研究EFIT反演和TSC放电模拟研究 国内研究进展3 HT 7上实现了长达400s的稳定等离子体放电 开展了交流放电模式研究 证明了良好的稳定的控制系统HT 7上开展了LHW下的低环电压启动研究 EAST上实现了偏滤器位形的最长达9秒 最大电流500kA 最大拉长1 9的稳定的偏滤器位形的放电 国内研究进展4 其他还开展了放电模拟 位形反演 平衡计算 平衡理论 垂直位移不稳定性 装置运行区间等研究然而 EAST上尚未建立起磁面位形反馈控制系统 而建立良好控制 需要研究等离子体启动 等离子体在不同模式下的响应 这也是各个实验阶段重要的研究内容之一改造后的HL 2A上将有大拉长位形 形状控制和垂直位移控制将是主要课题之一EAST上超导磁体特性要求开展小误差和低电流变化研究 要求对等离子体行为的预测研究EAST上大电流 大拉长 长时间下的稳定运行控制是主要物理内容之一国内的启动研究尚不够全面和深入 HL2A EAST和J TEXT提供了极好的平台 研究目标 优化等离子体的击穿条件和上升条件 研究两大装置上的等离子体运行区间 完善现有装置HL 2A EAST和其他装置上的等离子体控制手段和分析手段 控制等离子体形状 实现各种参数条件下稳定的等离子体放电 为ITER建设和运行提供经验 为在我国两大装置上开展高水平的物理实验提供控制和等离子体启动保证 研究内容和技术路线1 低环电压启动研究 等离子体击穿过程和等离子体电流初始上升模拟数值模拟杂质 气壁条件对等离子体启动的影响硼化 硅化以改善气壁条件 电阻 辐射量热测量等 优化环电压 预电离与初始加热LHW ICRF ECR投入时刻和功率充气压力和气体成分真空场在等离子体建立的反演 内部结构包括真空室对等离子体启动和控制的影响涡流计算与测量 研究内容2 等离子体电流上升 等离子体启动的放电模式 MHD稳定区间 伏秒优化数值模拟 TSC DINA 和实验结合 HL2A上主要快电流上升 EAST慢上升等离子体上升时的位置和形状控制磁面重构 EFIT 等离子体位置的准确估计和控制 RZIP 成形 RTEFIT ISOFLUX 优化伏秒消耗 等离子体电流剖面和安全因子分布 主动吹气 电流驱动手段 上升速率 研究内容3 等离子体位形演化控制研究 磁面 电流和压力剖面反演研究 EFIT 等离子体响应模型的研究RZIP刚性模型 CREATE L模型 Dina模型等 等离子体垂直不稳定性的研究 磁通演化与等离子体行为的关系 单输入单输出 SISO 的各控制环节间的解偶和控制参数优化多输入多输出控制器 MIMO 设计研究 最小化线圈电流波动 减少线圈的涡流损耗 探讨等离子体在不稳定性时如monstersawtooth和typeIELMy时极向场线圈在限制条件下的的平衡控制能力 磁面反演和位形反馈控制 EAST例 研究问题 精确快速的磁面和剖面反演更多测量手段和约束下的磁面反演真空室涡流对磁面快速反演的影响和修正等离子体响应模型及与控制解偶矩阵的估计和控制参数的优化 关键的科学技术问题 等离子体 主动线圈 被动结构 以及与控制系统包括电源 控制算法和信号采集传递等系统间的关系等离子体的杂质控制 电磁扩散和能量粒子耗散的关系 特色与创新 直接服务并参加大科学工程装置的物理实验 本身也是受控核聚变研究的前沿课题 特别的 我们装置的等离子体位形 极向场线圈特性和布局与ITER相似 它的等离子体形状控制几乎是ITER的预演 在ITER建成之前为ITER运行提供宝贵的运行经验 EAST超导特性为开展ITER需要的低电压启动和平稳控制提供了极重要的参考依据 技术路线 等离子体形状控制基于高精度的电磁测量 实时和离线反演关键参数 借鉴其他诊断措施如边界探针测量验证反演结计算上基于实时LINUX系统下的服务器集群 根据实时计算需要灵活增加计算节点提高运算速度 采集硬件上基于多通道实时同步采集 控制优化基于经过实验验证的仿真模型击穿和初始上升优化基于预期与反演真空场 优化充气时机和速率 优化辅助启动措施如射频波的功率和投入时刻 利用经过实验验证的托卡马克和等离子体响应模型优化等离子体启动模式 可行性 等离子体形状反演控制的方法已经在世界各大装置上得到了实现和证实 EAST上已进行了偏滤器位形的放电 程序场控制下的位形已得到了较稳定的等离子体位形 磁面反演也得到了较好的精度 HL 2A上也得到了偏滤器位形的放电 主要的程序如EFIT TSC等在我国已经离线运行了多年 托卡马克的控制仿真已得到了实验的验证在DIII D的控制系统上运行了多年 DIII D上所有的新的控制算法都要作仿真模拟 EAST上已经建立了EAST的仿真模型 为首轮等离子体放电和偏滤器等离子体放电的控制提供了重要的参数依据 并继续完善HL 2A上也有相关的仿真系统 可在本项目中得到完善 可行性 续 击穿和初始上升的初步研究已经在EAST和HL 1A上开展 等离子体的放电模拟已对EAST 如PST10 2008 8 和HL 2A的实验进行了模拟 取得了较为一致的结果参与本项目的主要人员长期从事等离子体控制和运行 并且本项目的主要内容是两大装置的运行基础 由于两大装置可演示和解决未来装置上的一系列控制问题 已经得到了国际聚变界的高度重视 建立了良好的合作关系 如我们的两大装置均与美国DIII D国家实验室和普林斯顿等离子体物理实验室建立了密切的合作关系 研究基础与条件 大科学工程装置HT7 EAST HL 2A及国内其他装置J TEXT等的支撑在数值模拟上 我们已积累了PCS simserver TSC EFIT rtEFIT COSICA EQ与DIII D PPPL LLNL 日本的NIFS和JAEA等的紧密合作 中国环流器二号A HL 2A 2002 现在 我国第一个带有偏滤器的大型托卡马克装置 等离子体电流达到433千安 纵向磁场2 7特斯拉 等离子体密度8 1019 m3 等离子体电子温度5500万度 具备了开展近堆芯等离子体物理实验的能力 获国家科技进步奖二等奖1项 国防科学技术奖15项 其中一等奖2项 二等奖5项 获国家专利5项 现有条件及基础 HL 2A上的ECR系统可为开展启动和加热提供极好条件 HL 2A装置供电系统 现有条件及基础 具有主动冷却全石墨第一壁的EAST为我们的研究提供良好的平台 全石墨壁的等离子体建立初期