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基于 TSC 和 PCS 的等离子体放电模拟系统

ASIPP. 基于 TSC 和 PCS 的等离子体放电模拟系统. 学生：刘成岳 导师：肖炳甲 吴斌. 等离子体物理研究所. ASIPP. 主要内容. TSC 程序简介 PCS 在等离子体放电预测中的应用 模拟与实验分析 基于 Mdsplus 的放电模拟数据库 总结. ASIPP. TSC 程序简介. TSC(Tokamak Simulation Code) TSC 程序是 PPPL 开发的一个自由边界轴对称托卡马克等离子体随时间的演变以及和它相关控制系统的数值模拟程序， 它通过在矩形计算网格上解磁流体方程组来模拟自由边界等离子体随时间的演变过程

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基于 TSC 和 PCS 的等离子体放电模拟系统

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Presentation Transcript

  1. ASIPP 基于TSC和PCS的等离子体放电模拟系统 学生：刘成岳 导师：肖炳甲 吴斌 等离子体物理研究所

  2. ASIPP 主要内容 • TSC程序简介 • PCS在等离子体放电预测中的应用 • 模拟与实验分析 • 基于Mdsplus的放电模拟数据库 • 总结

  3. ASIPP TSC程序简介 • TSC(Tokamak Simulation Code) TSC程序是PPPL开发的一个自由边界轴对称托卡马克等离子体随时间的演变以及和它相关控制系统的数值模拟程序，它通过在矩形计算网格上解磁流体方程组来模拟自由边界等离子体随时间的演变过程 • TSC的应用 装置设计和反应堆概念设计（ITER，KSTAR） 装置伏秒数分析（PBX，DIII-D，TFTR，ITER） 电流驱动和加热（H&CD） 等离子体位形控制系统（ PBX，DIII-D） VDE，halo电流，弹丸注入（ DIII-D） 等离子体放电模拟和实验预测（NSTX） 托卡马克放电模拟数据库（ITER）

  4. ASIPP TSC程序简介 • TSC编译运行环境 TSC由FORTRAN77语言编写，最高版本10.9已经引进我所并移植成功，文件系统由源程序文件、输入文件和输出文件等组成。编译环境采用Redhat Linux系统，采用lf95编译器，利用编写makefile文件进行程序编译、链接 • TSC物理模型 等离子体平衡方程 等离子体磁面 一维输运方程

  5. ASIPP PCS在等离子体放电预测中的应用 • PCS简介 EAST PCS ( Digital Plasma Control System)基于美国GA的DIII-D 装置上的PCS发展而来，用于放电过程中等离子体实时控制，使其沿着预设的等离子体参数进行演化，同时可灵活的添加自己的控制算法。 • TSC放电模拟结果与实验预测结合的设计方案 根据实验要求，由等离子体击穿后的0.2s开始，依据目标位形和等离子体参数设置，模拟等离子体爬升段、平顶段和下降段的演化过程。将TSC模拟获得的EAST装置的PF电流波形、等离子体密度演化波形、等离子体主要参数，如等离子体位置坐标（R，Z）、小半径、拉长比、等离子体电流等作为PCS预设参数用于真实物理实验的输入参数，来为实验进行参考。

  6. ASIPP PCS在等离子体放电预测中的应用 • 程序场控制算法（Coil Current Control Algorithm） • 偏滤器等离子体放电控制算法（Diverted Plasma Control Algorithm）

  7. ASIPP PCS在等离子体放电预测中的应用 • PCS预期等离子体参数预设界面

  8. ASIPP PCS在等离子体放电预测中的应用 • PCS等离子体位形控制参数预设界面

  9. ASIPP 模拟与实验分析 一、限制器等离子体放电预测 1、等离子体RZIP反馈控制放电结果（shot#14180） 图1 TSC预测的PF线圈波形

  10. ASIPP 图2 等离子体电流、 、CIII、环电压随时间演化 模拟与实验分析

  11. ASIPP 模拟与实验分析 图3 等离子体电流 图4 等离子体大半径 图5 等离子体小半径 图6 等离子体拉长比

  12. ASIPP 模拟与实验分析 t=0.5s t=1.25s 图7 等离子体电子密度 t=4.25s t=5.7s 图8等离子体电子位形 t=4.25s t=5.7s

  13. ASIPP 模拟与实验分析 2、在shot#14180放电的基础上，仅加R控制（shot#14547） 图9 Ip、vb，uv1，uv2，vp1诊断信号

  14. ASIPP 模拟与实验分析 3、在shot#14180放电的基础上，完全程序场放电（shot#14185,14186） 图10 Ip、vb，uv1，uv2，vp1诊断信号

  15. ASIPP t=0.9s t=1.4s t=0.5s 模拟与实验分析 图12等离子体位形 图11等离子体电流

  16. ASIPP 模拟与实验分析 结果分析： 在完全程序场放电下，可以看出在t=1.5s时候，等离子体电流没有达到预期的280KA，只到达200KA左右就往下掉，放电终止。原因在于PF电流的爬升率设置的过低，也说明实验中的杂质有效电荷偏大。同时实际放电中等离子体的密度和杂质情况不清楚，由于是完全程序场，放电中这些未知变化对等离子体产生扰动。由等离子体位形演化可以看出等离子体在R位置左右变化，失去控制，最终破裂。但是等离子体的Z位置始终保持在Z=0左右，说明整个EAST装置PF电流具有很好的对称性。

  17. ASIPP 模拟与实验分析 二、偏滤器等离子体放电预测 1、等离子体RZIP反馈控制放电结果（shot#14189） 图1 TSC预设等离子体电流波形

  18. ASIPP 模拟与实验分析 图2 等离子体电流 图3 等离子体大半径 图4 等离子体小半径 图5 等离子体拉长比

  19. ASIPP 模拟与实验分析 t=0.5s t=1.55s 图6 等离子体电子密度 t=4.35s t=3.4s 图7 等离子体位形

  20. ASIPP 模拟与实验分析 2、在shot#14189放电的基础上，仅加R控制（shot#14189） 图8 Ip、vb，uv1，uv2，vp1诊断信号

  21. ASIPP 基于Mdsplus的放电模拟数据库 • MDSplus简介 MDSplus（Model Drive System plus)是模型驱动数据采集系统，由意大利的IGI,美国MIT和LAN为核聚变实验联合开发的，为核聚变脉冲实验提供了通用的，可移植的软件系统。 • 放电模拟数据库 将TSC放电模拟的数据传给MDSplus中建立的模拟树siu_tree，通过webscope和jscope都可以访问。目前杨飞已经完成初步的版本，待慢慢完善。

  22. ASIPP 基于Mdsplus的放电模拟数据库 • 模拟数据库web访问界面及设置

  23. ASIPP 总结 可以看出TSC预测的PF电流波形用于实验，可以获得稳定的等离子体击穿。击穿后，等离子体电流、等离子体大半径、小半径、拉长比、等离子体密度等重要物理参数，TSC预测模拟的结果与实验中放电结果基本一致，说明TSC中构建的EAST物理模型基本可靠性，可以作为今后EAST长脉冲放电实验预演，可以开展EAST不同先进位形放电模式的设计和模拟，为实验提供一个仿真实验的平台。

  24. ASIPP 工作计划 • 等离子体电流初始形成阶段 • 放电模拟数据的完善 • EAST等离子体大电流放电PF波形设计

  25. ASIPP 谢 谢 ！

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