HL-2A装置改造方案磁流体平衡的数值模拟

对HL-2A装置的改造方案进行数值模拟,获得了放电初始阶段零场区域设计的最佳方案、等离子体限制器平衡位形、单零偏滤器平衡位形和双零偏滤器平衡位形以及从气体击穿到等离子体电流平顶的等离子体平衡位形的演化过程。计算结果表明,该装置设计方案能够满足装置预期的设计参数要求。     

等离子体理论和模拟研究进展

2006年等离子体理论与模拟研究室主要围绕以下2个方向展开了研究活动。进行了HL-2A装置的升级改造和实验的数值模拟，例如：HL-2A装置弹丸注入实验模拟和HL-2M装置平衡位形设计；对一些热门的等离子体物理问题进行了研究，例如：Streamer与电子温度梯度湍流的相互作用，剪切流和输运垒的形成机制等。     

球环位形磁流体平衡的数值模拟

对原有的托卡马克平衡编码SWEQU进行了改进。使之适用于小环径比球形环装置的磁流体研究。用改进后的平衡编码SWEQU模拟了放电初始阶段等离子体平衡位形的演化及稳态阶段的双零偏滤器平衡位形。结果表明。不但町以得到球形环装置稳态阶段的平衡位形，也可以模拟等离子体电流上升阶段平衡位形的演化过程。     

HL-2A装置与HL-2M装置控制处理研究与发展

2006年，围绕HL-2A装置实验控制、数据采集与处理，开展了高性能计算系统建设，基于EFIT代码的HL-2A等离子体位形重建以及若干大型代码的引进移植；实施了水平场电源部分有环流控制；设计制作了新型抗干扰采集器；开展了基于模拟信号脉冲识别的计数研究，在此基础上通过SDD诊断数据计算获得了等离子体电子温度；对HL-2A数据存储系统与实验网进行了全面升级，围绕HL-2M项目，开展了HL-2M位形和极向场线圈设计，HL-2M等离子体控制系统的预研．     

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将理想全二维磁流体(MHD)稳定性数值代码GATO成功移植到HL-2A高性能计算系统,并用其模拟研究了HL-2A装置一次典型弹丸注入实验的等离子体的理想MHD稳定性。利用HL-2A装置第4050次放电的实验数据,应用EFIT代码重建了几个时间片的平衡位形,然后应用GATO代码对每个平衡位形的MHD稳定性进行了计算。通过对结果进行分析比较得出初步结论,由于弹丸注入而造成的反剪切位形的致稳作用,可以提高等离子体的约束性能。     

HL-2A 装置偏滤器改造的初步设计

根据HL- 2A 装置的结构特点, 提出了HL- 2A 装置偏滤器系统改造的基本方向。对HL- 2A 极向场线圈系统进行了优化设计, 计算了单零平衡位形, 进行了开放式偏滤器的结构设计, 并对新的偏滤器系统进行了热分析和结构分析。结果表明, 新的偏滤器系统新的偏滤器系统能够满足具有一定拉长比和三角形变的等离子体放电要求。     

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利用TSC程序对HL-2M装置的纯欧姆放电参数进行了首次数值放电模拟,证实了极向场线圈系统具有实现预设的宏观等离子体参数的能力。数值放电模拟还利用基本的位移控制和等离子体电流控制系统实现了从孔栏位形到下单零偏滤器位形的稳定演变。模拟提供的一些主要结果为工程和物理目标设计提供重要的参考。     

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根据基尔霍夫电律和牛顿力学,推导出了HL-2A等离子体平衡响应线性模型。基于matlab/simulink仿真平台并利用HL-2A装置历史实验数据,对等离子体响应模型进行了仿真分析。结果表明,此响应模型能够较好地反映极向场线圈电压与等离子体参数、磁通、磁场等物理量之间的关系,可以作 HL-2M装置位形控制器的研究设计基础。     

HL-2M 初始放电位形及波形设计

利用 EFIT 设计了可用于 HL-2M 初始放电的圆截面限制器位形以及偏滤器位形;设计了满足放电击 穿条件要求(零场区域平均杂散磁场应不超过 20G)的零场位形。综合分析放电过程伏秒数消耗及真空室涡流的影 响,使用 PF8 线圈电流补偿真空室涡流产生的杂散磁场,设计了等离子体电流 200kA 的限制器位形及偏滤器位形 的自洽的放电波形。将该放电波形作为放电调试的参考波形,成功实现了限制器位形的初始放电实验。      

HL-2A装置初始运行阶段杂质和辐射行为的初步研究

作为国内第一个带有偏滤器的托卡马克装置，在HL-2A装置的起始运行阶段，了解等离子体中存在的杂质种类和辐射水平、评估杂质的含量以及在偏滤器位形和孔栏位形下杂质辐射行为的变化都是很重要的。在HL-2A装置的初始运行阶段，壁处理主要是采用常规的辉光放电清洗（GDC）；在偏滤器运行阶段也使用过蒸钛来减少下偏滤器室的杂质以利于偏滤器位形的建立；但未使用硅化等可能破坏初始器壁条件的壁处理手段。     

面向集成模拟平台的远程协作系统

基于 Web 技术,采用三层模型的系统架构,分别使用 AJAX、SQLite、Openlava 和 Python 解决了 数据异步传输、作业结果重用、多用户作业管理和可视化显示等关键技术,成功开发出面向集成模拟平台的远程 协作系统——SICOS。通过 Web 浏览器即可多人同时运行高性能计算集群上 IMAS 框架下的等离子体程序,实 现了程序的集成运行及运行结果的远程分析、数据共享和可视化显示等功能。通过率先集成 EFIT 可以获得 HL-2A 装置实验的平衡位形重建结果和 HL-2M 装置期望的平衡位形结果,为后续其它程序的集成奠定了技术基础。     

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介绍了一种计算HL-2M装置环向场线圈自感的简捷方法，即用多个多边形电流丝模拟环向场线圈，用两个小直线段的互感求和代替多重积分，使问题得到简化。利用HL-2A装置的放电数据拟合计算了HL-2A装置环向场线圈的自感，从而验证了方法的正确性。     

HL-2A装置超声分子束注入初步结果

HL-2A装置是我国第一个带偏滤器的托卡马克装置，于2002年投入运行。该装置的主要参数为：R=1．65m，n=0．4m，BT=2．8T，Ip=0．48MA，带有上、下对称的封闭式偏滤器。目前，HL-2A装置运行下单零偏滤器，为下一步改进偏滤器位形进行基础性研究。带有液氮冷阱的超声分子束注入系统首次安装并运行于2004年。初步实验结果是，多脉冲分子束注入用于封闭式偏滤器功能的演示和检验；多脉冲分子束注入HL-2A等离子体引起冷脉冲和密度扰动向中心传播。     

HL-1装置逃逸电流的数值模拟

本文对HL-1装置放电中的逃逸电流进行了零维数值模拟。考虑了逃逸电子的产生和损失,电子及离子的能量平衡与粒子数平衡。数值结果与实验较为符合。     

HL-2A装置主机改造的初步方案

HL-2A装置自2003年首次实现等离子体单零偏滤器位形以来，运行参数逐步提高。目前获得了纵场2．7T，等离子体电流厶为410kA的结果，基本达到装置常规运行的指标。由于装置是封闭式偏滤器结构，不能形成拉长的等离子体截面，等离子体参数的进一步提高受到了限制。为了开展更深入的实验研究，装置的升级改造是非常必要的。     

HL-2M 装置磁测量系统设计及初始放电实验结果

介绍了 HL-2M 装置上满足等离子体放电的磁测量系统的物理设计,主要包括磁探针、磁通环以及 电流测量系统的设计。通过 HL-2M 装置典型的放电位形参数对磁探针的极向布局、有效面积,磁通环的极向布 局以及测量等离子体电流的罗氏圈互感值进行了初步设计。目前,HL-2M 装置已经完成初始等离子体放电。各个 子系统均能达到其测量目标。      

HL-2A装置偏滤器室中性气体压强的初步研究

HL-2A装置上首次实现了偏滤器位形放电。采用专门研制的可在强磁场和强噪声环境下工作的快响应真空电离规对偏滤器室内的中性气体压强进行了测量，给出了HL-2A装置偏滤器有关结构的基础数据。初步研究了偏滤器位形和孔栏位形放电期间偏滤器室中性气体压强的特性。     

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利用SOLPS和DINA程序,对偏滤器的数值模拟进行综合研究。结合HL-2M装置,针对偏滤器的结构优化、脱靶物理过程、偏滤器送气与抽气、垂直位移事件(VDE)等问题进行了模拟研究。分析了偏滤器靶板位形以及脱靶对偏滤器靶板热载荷的影响,研究了偏滤器的送气位置、送气速率、抽气速率等因素对于偏滤器性能的影响;同时,利用DINA程序对HL-2M装置的VDE过程进行了预测分析,并给出了HL-2M装置发生VDE过程的等离子体电流剖面变化,从而为HL-2M装置的偏滤器结构设计和分析提供输入数据。     

HL-2M偏滤器的综合模拟技术初步研究

利用SOLPS和DINA程序,对偏滤器的数值模拟进行综合研究。结合HL-2M装置,针对偏滤器的结构优化、脱靶物理过程、偏滤器送气与抽气、垂直位移事件(VDE)等问题进行了模拟研究。分析了偏滤器靶板位形以及脱靶对偏滤器靶板热载荷的影响,研究了偏滤器的送气位置、送气速率、抽气速率等因素对于偏滤器性能的影响;同时,利用DINA程序对HL-2M装置的VDE过程进行了预测分析,并给出了HL-2M装置发生VDE过程的等离子体电流剖面变化,从而为HL-2M装置的偏滤器结构设计和分析提供输入数据。     

HL-2A装置大拉长比和三角形变等离子体位形设计

介绍了基于MATLAB 程序自主开发的等离子体位形编辑和设计代码SE,包括其设计原理、主要功能、人机界面和操作步骤。通过SWEQU 代码对SE代码的准确性进行了有效验证,分别用上述两种代码设计和验证了两种具有中等拉长比和三角形变位形的放电参数。具有较高拉长比和三角形变位形的实现需要投入装置的上偏滤器线圈来突破圆形截面的限制。最后通过SE代码编辑了一个较大拉长比和三角形变的等离子体位形,并获得了相应的放电参数。结果表明,在HL-2A 装置投入上偏滤器线圈后,可以得到具有较大拉长比和三角形变的新等离子体位形,这些位形为提高HL-2A 等离子体的品质奠定了坚实的基础。