運(yùn)行與控制-王龍

1、托卡馬克裝置的運(yùn)行和控制合肥，2012/8參考文獻(xiàn)：ITER Physics, Chapter 8, Nuclear Fusion 39(1999) 2577袁寶山，姜韶風(fēng)，陸志鴻，托卡馬克裝置工程基礎(chǔ)，原子能出版社，2011王龍（退休金領(lǐng)取者）內(nèi)容o壁的預(yù)處理（conditioning）o放電程序和運(yùn)轉(zhuǎn)：程序控制o等離子體控制（反饋控制） 磁場(chǎng)控制平衡問題 動(dòng)理控制輸運(yùn)問題壁的條件化：表面過程的重要性CT-6B上的同位素實(shí)驗(yàn)：H2-D2-H2轉(zhuǎn)換工作氣體放電后的質(zhì)譜變化固體表面吸附氣體的作用吸附單原子層氧原子脫附后造成的空間密度：復(fù)雜的空間-表面過程決定等離子體密度主要表面過程粒子在壁表面的

2、循環(huán)循環(huán)系數(shù)=背散射粒子數(shù)/入射粒子數(shù)1有效循環(huán)系數(shù)=（背散射粒子數(shù)+脫附粒子數(shù)）/入射粒子數(shù)1控制循環(huán)系數(shù)是控制等離子體密度和雜質(zhì)含量的關(guān)鍵濺射是引進(jìn)重雜質(zhì)的主要過程幾種入射離子-材料的濺射產(chǎn)額濺射：離子或原子入射到固體表面使固體原子脫離表面的過程濺射要求入射離子具有一定能量閾值化學(xué)濺射：入射粒子和表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性氣體粒子脫離表面 4H+C=CH4雜質(zhì)種類o輕雜質(zhì)o O：H2O，CO，CO2 C： CO，CO2 ，有機(jī)分子o重雜質(zhì) 金屬雜質(zhì)：主要源于濺射、 蒸發(fā)、顆粒o顆粒：源于起泡起皮過程 40kV氦離子在鈮表面產(chǎn)生的起泡現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的要求o適合真空要求的材料o清潔無油抽氣系

3、統(tǒng)o抽至一定的本地氣壓10-5Pao無或盡量少的有機(jī)材料o有一定的壁預(yù)處理措施對(duì)壁預(yù)處理的要求o維持低的本地壓強(qiáng)o限制雜質(zhì)的釋放以維持可接受的雜質(zhì)水平o限制氫同位素的釋放以維持等離子體密度（聚變反應(yīng)率）和可接受的邊界狀態(tài)o控制表面產(chǎn)生的顆粒o控制或限制氚在表面的滯留壁預(yù)處理方法o烘烤o金屬膜吸氣劑o脈沖放電清洗o輝光放電清洗o表面鍍膜o射頻放電清洗o在線抽氣烘烤CT-6B烘烤前和烘烤30小時(shí)后的質(zhì)譜烘烤除氣率放電清洗oTDC：Taylor放電oDDC：破裂放電o輝光放電o射頻放電清洗CT-6B清洗放電過程中質(zhì)譜的變化表面鍍膜oC：減少金屬雜質(zhì)濺射oB：改善能量約束時(shí)間oSi：減少氧雜質(zhì)oLiT

4、EXTOR上碳化、硼化、硅化后的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域在線抽氣DIIID上的偏濾器低溫泵托卡馬克的運(yùn)行程序（以ITER為例）o預(yù)磁化o擊穿o電流值上升電流通道擴(kuò)散o偏濾器形成o輔助加熱o（點(diǎn)火燃燒）o（燃燒停止）o電流下降并截止o磁體停機(jī)變壓器的伏秒數(shù)和預(yù)磁化dtdETVEdt磁通變化產(chǎn)生環(huán)向電動(dòng)勢(shì)平均環(huán)電壓（V）和持續(xù)時(shí)間（s）的乘積為磁通最大變化值（Vs）預(yù)磁化可使伏秒數(shù)加倍環(huán)向磁場(chǎng)、變壓器初級(jí)和等離子體電流的放電波形擊穿Townsend放電理論擊穿電壓取決于PL，氣壓與電極間距之乘積，對(duì)氫同位素)()(300ln)(104 . 3)/(4minmLtorrptorrpmVE擊穿等離子體的產(chǎn)生Towns

5、end放電模型BaBLt/25. 0磁力線連接長(zhǎng)度一些裝置上的擊穿區(qū)域影響擊穿的因素o超導(dǎo)磁體o避免逃逸電子o避免引進(jìn)雜質(zhì)o真空室有無絕緣縫o雜散磁場(chǎng)o有適當(dāng)局部垂直場(chǎng)ITER要求擊穿電場(chǎng)0.3V/mITER擊穿時(shí)的磁面結(jié)構(gòu)和電流通道發(fā)展磁漂移在擊穿中的作用垂直雜散場(chǎng)產(chǎn)生的垂直方向的運(yùn)動(dòng)可以由磁場(chǎng)漂移補(bǔ)償，所以對(duì)垂直方向雜散場(chǎng)的要求低于對(duì)水平方向雜散場(chǎng)的要求。CT-6B上擊穿電壓在外加水平-垂直場(chǎng)平面上的等值線雜質(zhì)燒盡與逃逸電子產(chǎn)生日冕平衡下C雜質(zhì)不同類型輻射功率與電子溫度關(guān)系。Pl線輻射，Pd雙電子復(fù)合輻射，Pr復(fù)合輻射，Pb軔致輻射，Pt總輻射雜質(zhì)輻射在溫度幾十eV以下有一個(gè)“位壘”，溫度

6、升至這個(gè)溫度范圍以上，輻射降低，稱為雜質(zhì)的燒盡。預(yù)電離：提供初始空間電荷手段：ECR，LH，ICRFTore-Supra上電子回旋波預(yù)電離照片擊穿電壓可降至0.15V/m非感應(yīng)電流啟動(dòng)等離子體產(chǎn)生電流啟動(dòng)電流爬升歐姆歐姆歐姆ECR歐姆歐姆ECRECR歐姆ECRECRLH/ECCD擊穿，電流啟動(dòng)和爬升的幾種方式ECR電流啟動(dòng)弱垂直場(chǎng)+環(huán)向場(chǎng)啟動(dòng)電流原理 電極放電輔助電流啟動(dòng)設(shè)計(jì)CT-6B上ECR電流啟動(dòng)銜接歐姆放電同軸螺旋注入磁螺旋度為兩磁管間連鎖的測(cè)度，K=212在托卡馬克中，磁螺旋度是極向場(chǎng)和環(huán)向場(chǎng)的連鎖，為兩磁通的乘積，正比于環(huán)向場(chǎng)線圈電流和等離子體電流的乘積。維持一定磁螺旋度就能維持一定

7、等離子體電流。Proto-HIT上的同軸螺旋注入非螺線管電流啟動(dòng)感應(yīng)電流啟動(dòng)但無中心螺線管作用，在強(qiáng)變形截面中有可能僅用外線圈實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)條件。球形環(huán)非螺線管電流啟動(dòng)磁場(chǎng)位形設(shè)計(jì)總結(jié)：非傳統(tǒng)電流啟動(dòng)方式o電子回旋波（ECR）電流啟動(dòng)o同軸螺旋注入o非螺線管電流啟動(dòng)最終目的：取消歐姆變壓器等離子體電流爬升o高爬升率導(dǎo)致電流輪廓變寬，li減少，可能發(fā)生MHD不穩(wěn)定性o補(bǔ)充充氣使邊緣輻射增加，導(dǎo)致電流輪廓變窄， li增加，達(dá)到密度極限o截面形狀的形成與維持為ITER設(shè)計(jì)的電流爬升方案要避免的磁流體不穩(wěn)定性JET上的MHD穩(wěn)定區(qū)域雙撕裂模的產(chǎn)生機(jī)制磁通的電阻消耗VpSpdVEjBtsdBE)2()(10

8、20玻印廷定理能流 儲(chǔ)存磁能 電阻消耗RILIdtdIVpppL)21(12電路方程電阻消耗經(jīng)驗(yàn)公式pIRC0045. 0C主要影響因素: 電流爬升率 雜質(zhì)含量電流下降段的措施o逐步減少小半徑，降低下降率以維持li值o使用外加螺旋場(chǎng)激發(fā)可控制的MHD模，使li不致增加太快o輔助加熱或充氦擴(kuò)展密度窗安全運(yùn)轉(zhuǎn)的密度窗：GWn) 12 . 0(),10(/202mMAaInpGWGreenwald密度極限ETER典型波形聚變功率等離子體電流變壓器磁通燃料補(bǔ)充率等離子體密度氦灰比例輔助加熱功率等離子體控制的目的o保證安全運(yùn)行，所有參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)o物理研究的要求DIIID上的無量綱參數(shù)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)輪廓：

9、歸一化回旋半徑，比壓，歸一化碰撞頻率，溫度比，歸一化密度標(biāo)量梯度長(zhǎng)度，歸一化溫度標(biāo)量梯度長(zhǎng)度等離子體控制：歷史發(fā)展程序控制放電主要參數(shù)反饋控制Ip,x,n徑向輪廓控制形狀控制不穩(wěn)定性控制優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)模式平衡控制：避免不穩(wěn)定性電流控制：形成電流平頂密度控制：達(dá)到密度極限磁場(chǎng)控制動(dòng)理控制等離子體控制的內(nèi)容o運(yùn)轉(zhuǎn)系列：預(yù)磁化，擊穿，電流爬升擴(kuò)張，偏濾器形成，輔助加熱，（點(diǎn)火燃燒及停止），電流下降截止，磁體工作截止冷卻o磁場(chǎng)控制：電流，形狀，位置，偏濾器位形，誤差場(chǎng)補(bǔ)償o動(dòng)理控制：L-H模轉(zhuǎn)換，密度，聚變功率，雜質(zhì)含量，輻射成分，參數(shù)輪廓，不穩(wěn)定性穩(wěn)定o快速停車：大破裂發(fā)生時(shí)需要可能的擾動(dòng)o加熱、輸運(yùn)引起

10、的參數(shù)的緩慢變化o垂直位移不穩(wěn)定性o不穩(wěn)定性：鋸齒震蕩，小破裂，ELMo外界擾動(dòng)：充氣，彈丸注入，輔助加熱，L-H轉(zhuǎn)換影響因素的時(shí)間尺度磁場(chǎng)控制原理測(cè)量量反饋輸入量參考信號(hào)操作量測(cè)量設(shè)備操作機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)控制算法模型和算法羅氏線圈磁探圈磁通環(huán)等離子體位移極向場(chǎng)線圈PID調(diào)節(jié)器o比例作用：校正作用強(qiáng)，穩(wěn)定性好o積分作用：消除余差o微分作用：超前作用，增加穩(wěn)定性)1(dtdeTedtTeKpdiASDEX-U控制波形電流中心高度內(nèi)外主半徑偏濾器接觸點(diǎn)高度極向場(chǎng)線圈電流極向比壓和無量綱內(nèi)感形狀控制JET的形狀控制間隙極向磁通其它幾何參數(shù)：，PF線圈電壓9個(gè)獨(dú)立PF線圈TCA上的形狀控制磁場(chǎng)控制的物理基

11、礎(chǔ)Grad-Shafranov平衡方程無宏觀流動(dòng)軸對(duì)稱無旋轉(zhuǎn)壓強(qiáng)各向同性等離子體另質(zhì)量無有限回旋半徑效應(yīng)ITER磁場(chǎng)位形和控制間隙主要等離子體響應(yīng)模型oCREATE-L模型：求解平衡方程和電路方程，再平衡附近求擾動(dòng)解并線形化，數(shù)值求解的倒數(shù)入量（線圈電壓）和輸出量（磁場(chǎng)、磁通和一些等離子體參數(shù)oRZIP模型：將等離子體劃為一組軸對(duì)稱電流元，計(jì)算其受力以及電流元及極向線圈組及無源導(dǎo)體的回路方程電流控制與位移控制的耦合dtdIMdtdLIdtdILRIUipippppppL)228(ln0iplaRRL一種統(tǒng)一考慮力學(xué)和電學(xué)的方法)ln(212121)2(21122222VTNTIIMILIMII

12、ILILaRMLjiijijiiiiiipptpppp0)(iiqLqLdtdqi= R：大半徑方向平衡：垂直磁場(chǎng)公式 a：小半徑方向平衡：關(guān)于p的公式 Ip：環(huán)向等離子體回路方程 Ip：極向等離子體回路方程（磁壓縮有用） Ii：外回路方程 T：絕熱方程無源導(dǎo)體（被動(dòng)導(dǎo)體）=L/R封閉導(dǎo)體對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)如何計(jì)算無源導(dǎo)體的參數(shù)？電流線法cos20BIbdIbN2cos22/0IRbdbRIb02202002/0cos222cos242002202202NRIRbILbdNRdIRbdIdRIbR22cos22cos22022022020bdRL面密度為 的角向電流產(chǎn)生垂直場(chǎng)分割為若干電

13、流帶，其中電流相等，所以寬度為cos/I，占角度cos/bI總匝數(shù)總磁通電阻自感時(shí)間常數(shù)園截面真空室如何計(jì)算無源導(dǎo)體的參數(shù)？鏡像法矩形真空室電參數(shù)系數(shù)（相對(duì)于園截面）密度控制：加料方法及效率o吹氣 效率： 10-15% 氣體o超聲分子束：30-60% 氣體（團(tuán)簇）o等離子體團(tuán)注入 等離子體o彈丸注入： -80% 固體幾種加料方法比較（每次充入1020個(gè)分子左右）彈丸注入彈丸直徑：mm速度：km/s超聲分子束注入o速度：1000m/so注入量： 5109o脈沖長(zhǎng)度：幾十毫秒o可能形成團(tuán)簇等離子體團(tuán)（CT）注入為ITER的設(shè)計(jì)：1.29mg，300km，50Hz同軸槍原理CT注入球形環(huán)Glubus

14、上的CT注入動(dòng)理控制：密度，溫度，雜質(zhì)水平，電流密度，聚變功率JT-60上同時(shí)控制電子密度，偏濾區(qū)輻射能量和中子產(chǎn)額核心區(qū)動(dòng)理控制典型事例裝置控制量測(cè)量量執(zhí)行機(jī)構(gòu)電子密度干涉儀/軔致輻射充氣閥ASDEX-U電子密度軔致輻射彈丸注入JT-60U聚變功率中子計(jì)數(shù)NBI數(shù)目DIII-D比壓逆磁測(cè)量NBI數(shù)目TFTR逆磁測(cè)量NBI頻率ASDEX-U輻射份額輻射功率雜質(zhì)氣體注入TCA電子密度阿爾文波頻率H，D注入DIIID電流輪廓MSEECHTore Supra電流輪廓內(nèi)感LH調(diào)制ASDEX-U新經(jīng)典模SXR，ECE，mirnovECCDITER動(dòng)理控制系統(tǒng)概念圖托卡馬克基本控制策略ITER參數(shù)時(shí)空分布

15、DIIID上的動(dòng)理控制反剪切位形的形成（TFTR）1，高的電流上升率（1.8MA/s），形成中空電流分布；2，到達(dá)1MA后，用較低中性束注入維持長(zhǎng)的電流滲透時(shí)間；3，到達(dá)平頂后，用高功率中性束注入增大反剪切電流滲透時(shí)間/20a輪廓控制破裂的防止o選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)轉(zhuǎn)空間o慢的間接控制，如控制電流輪廓o先兆階段快的反饋控制：輔助加熱o發(fā)生后減少危害，包括快速停車JT-60不同q值的破裂頻率 HT-2A用磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度和周期乘積預(yù)測(cè)破裂先進(jìn)運(yùn)行模式o先進(jìn)運(yùn)行模式：高約束、高比壓、高自舉電流份額的運(yùn)行模式o目的：小裝置尺度、大功率密度、可靠性、穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)o努力途徑：降低等離子體電流，提高邊界q值，增加自舉電流份額o手段：輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)控制壓強(qiáng)和電流輪廓，增強(qiáng)環(huán)向磁場(chǎng)，改善磁場(chǎng)波紋度，優(yōu)化截面形狀，減少等離子體和壁的相互作用為ITER設(shè)計(jì)的兩種先進(jìn)運(yùn)行模式模式Ip(MA)非感應(yīng)電流份額HH98(y,2)liN持續(xù)時(shí)間（s）感應(yīng)150.151.00.81.8400混合120.501-1.20.92-2.510