托卡馬克的啟動與電漿成形控制研究

《托卡馬克的啟動與電漿成形控制研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由肖炳甲擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：托卡馬克的啟動與電漿成形控制研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：肖炳甲
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

電漿的啟動和位形控制是托卡馬克運行的重要課題。精確的形狀控制，可提高電漿的約束性能和穩定性，對雜質控制和裝置保護也極其重要，還可最佳化波與電漿的耦合。本項目在EAST和HL-2A及其他裝置上研究具有先進磁面位形結構的控制系統和控制方式，模擬未來堆級的放電，探討電漿位形識別、位形控制、垂直位移控制以及最佳化控制降低渦流損耗等關鍵問題的解決途徑。發展相關數值模擬技術，指導實驗運行，預先檢測控制手段。托卡馬克啟動在常規裝置上已有大量研究，但全超導裝置，如ITER，要求低環電壓和慢的電流上升率，電流上升還必須解決同密度控制、伏秒消耗、電流剖面建立、成形和穩定性的關係。這些也是本項目的重要目標。本項目的成功實現，既保證兩大大科學工程裝置EAST和HL－2A有高水平高效的研究平台，開展高水平的物理實驗，更是未來裝置上的預演和經驗積累，為ITER未來成功的啟動和運行提供直接的經驗。

結題摘要

自主發展了一系列電漿控制算法，實現了電漿密度反饋控制、高通濾波的垂直位移控制、打擊點控制、單零偏濾器位形控制和輻射反饋控制等，實現了長脈衝乃至準穩態的電漿控制機制和系統集成。基於反射記憶體技術，實現了控制信號的無損傳輸和實時參數顯示；發展了基於Web的PCS用戶界面系統，滿足遠程控制和參與的需要。為本項目的開展奠定了控制基礎。 建立和驗證了EAST的TOKSYS系統模型，實現對一體化設計的多個極向場線圈的解耦控制，有效控制了電漿電流、位移和形狀；設計了電漿擊穿和電流上升的多种放電方案，實現了穩定可靠的常規電漿啟動，實現了低至2V的低雜波輔助下的電漿啟動。建立了EAST的TSC模型，預測並用模擬結果指導了實驗，模擬的雪花偏濾器演化過程即將指導實驗發展。離線和實時平衡反演取得了一致且較為可靠的結果，還發展了基於GPU的並行磁面反演算法，可取得比RTEFIT更快更準的反演結果。探索了其他邊界反饋控制方法， XLOC可在RTEFIT的同等重建精度下，速度上略勝一籌。系統模擬和研究了EAST垂直位移特性和控制能力，為快控線圈及電源改造指明方向，以使控制更加可靠。 實現了包括上升段電漿成形控制在內的限制器、單零和雙零偏濾器電漿邊界反饋穩定控制，在L模、H模以及L/H轉換下保證了垂直位移穩定控制，實現了各種條件下的多種單、雙零偏濾器位形的穩定放電，系統性地解決了在一體化的歐姆場和成形場的多線圈、有限的電源功率和回響和複雜的被動結構和電磁環境下的電漿啟動和成形問題，還提供了多種控制偏濾器熱負載的手段，從控制上保證了EAST上超過世界記錄的長達400s的偏濾器位形的穩定放電。 在EAST上利用微波反射計及電子迴旋輻射成像（ECEI），獲取了電漿密度及溫度分布數據；利用ECEI測量了鋸齒破裂下電子溫度的漲落，推演q=1磁面幾何形狀及磁軸位置；還觀測到電漿啟動階段的不穩定現象。 在HL-2A裝置上評估了電漿電流上升率的穩定性區間，最佳化了伏秒消耗；開展了RZIP剛性模型、多輸入多輸出控制器和垂直不穩定性研究。採用分子束注入和ECRH系統實施密度反饋，提高了控制精度和性能。開展ECRH低環電壓環啟動的研究，研究ECRH功率、充氣壓力和氣體成分與雜散場的關係，在環電場低達0.05V/m的條件下，成功實現了啟動，取得了國際領先的控制結果。