托卡马克装置等离子体平衡和控制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,托卡马克装置等离子体平衡和控制(2),HT-7,ASIPP,罗家融,Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,2019.03.29,托卡马克装置等离子体平衡和控制(2)HT-7 ASIP,1,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,托卡马克装置等离子体平衡和控制 HT-7 ASIPP非圆截,2,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HT-7 ASIPP托卡马克中,3,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Grad Shafranov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Grad Shafranov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。,非圆截面等离子体平衡反演技术介绍 HT-7 ASIPP平衡,4,平衡反演算法的历史,HT-7,ASIPP,自从VDShafranov博士发表了著名的Grad Shafranov平衡理论以来，许多建立在Grad Shafranov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自从VDSha,5,平衡反演算法的历史,HT-7,ASIPP,1980年到1982年,DrLuxon;,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 ASIPP1980年到198,6,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 ASIPPDr.Lang.La,7,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。,平衡反演算法的历史HT-7 ASIPP在1992年，Dr.,8,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,。,平衡反演算法的功能HT-7 ASIPP(1)得到等离子体,9,解,Grad-Shafranov平衡方程过程,HT-7,ASIPP,边界条件,解Grad-Shafranov平衡方程过程HT-7 ASI,10,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:,采用有限差分方程组的解决方案HT-7 ASIPP将解偏微分,11,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,平衡反演算法的具体过程 HT-7 ASIPP1 假设初始等,12,EFUND,产生格林函数表,EFIT,主程序,DATA_INPUT&GETSETS,初始化,读入数据,INICUR,初始化等离子体电流分布,FIT,平衡与反演迭代计算,反演计算,SHAPE,确定等离子体边界、磁轴及X POINT点,PLTOUT,产生图形数据输出到PLTOUT.OUT,PRTOUT,产生文本数据输出到FITOUT.DAT,WEQDSK,生成g文件和x文件,SHIPIT,生成a文件和m文件,STOP,currnt,pflux,steps,residu,ichisq0?,i1?,green,matrix,fcurrt,y,n,固定边界平衡计算,自由边界平衡计算,currnt,fcurrt,pflux,steps,residu,currnt,pflux,steps,residu,idone,0?,idone,0?,n,n,n,y,y,y,EFUNDEFITDATA_INPUT&GETSETS,13,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无论是在天,14,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电磁测量 HT-7 ASIPP等离子体内,15,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,托卡马克等离子体的位移测量 HT-7 ASIPP对称探针,16,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,电磁测量积分器 HT-7 ASIPPRC无源积分器,17,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。,托卡马克装置的运行调试 HT-7 ASIPP影响托卡马克装,18,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,杂散场对等离子体的行为带来严重的影响 HT-7 ASIPP,19,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,对杂散场水平的要求 HT-7 ASIPP在等离子体区，杂散,20,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总控系统的组成HT-7 ASIPP,21,HT-7,ASIPP,设置，显示,Table,Server,交换机,Ne控制,VxWorks,Timer触发,VXI机箱,LHCD,ICRH,PF控制,VxWorks,-920ms信号,触发,时钟分频硬件,控制机,16M外时钟,数据采集系统,HT-7 ASIPP设置，显示TableServer交换机,22,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。,总控台HT-7 ASIPP主要功能是可以设置参数，浏览预设,23,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。,定时触发系统HT-7 ASIPP主要提供各种定时触发和一道,24,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）,事件触发系统HT-7 ASIPP输入放电时需要检测的信号,25,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 在长脉冲放,26,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,手动微调位移反馈控制系统HT-7 ASIPPDA输出手动调,27,EAST控制和数据系统设计方案(1),HT-7,ASIPP,The compose of HT7UDCS,EAST控制和数据系统设计方案(1)HT-7 ASIPP,28,EAST控制和数据系统设计方案(2),HT-7,ASIPP,The Main Control System(MCS),EAST控制和数据系统设计方案(2)HT-7 ASIPP,29,EAST控制和数据系统设计方案(3),