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E AST 放电 模拟

E AST 放电 模拟. 吴 斌 刘成岳 等离子体物理研究所 200 6.8.7. 主要内容. TSC 程序的物理模型 EAST 装置放电模拟 EAST 圆截面 位形放电模拟 ( 最近工作汇报 ) 内侧限制器放电 Ip 100-500KA 内侧限制器放电 Ip 500KA. 平衡程序与放电模拟程序的区别. 平衡程序 EQ EFIT 某一时刻的等离子体位形 放电模拟程序 TSC 等离子体位形的时间 演化过程. 放电模拟的不同途径. 1.5维平衡演化程序 二维平衡程序 一维输运程序

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Presentation Transcript

  1. EAST放电模拟 吴 斌 刘成岳 等离子体物理研究所 2006.8.7

  2. 主要内容 • TSC程序的物理模型 • EAST装置放电模拟 • EAST圆截面位形放电模拟(最近工作汇报) • 内侧限制器放电 Ip 100-500KA • 内侧限制器放电 Ip 500KA

  3. 平衡程序与放电模拟程序的区别 • 平衡程序 EQ EFIT 某一时刻的等离子体位形 • 放电模拟程序 TSC 等离子体位形的时间 演化过程

  4. 放电模拟的不同途径 • 1.5维平衡演化程序 • 二维平衡程序 • 一维输运程序 • TSC程序Tokamak Simulation Code • 引入处理过的惯性项和粘滞项 • 不再求解平衡方程 • 转而求解等离子体运动方程

  5. TSC发展概况 • S-1 - 球马克位形的形成过程 • PBX - 位形控制、等离子体破裂、伏秒数分析 • TCV - 灵活等离子体形状控制系统的设计 • CIT - 伏秒数分析、等离子体破裂 • DIIID - 位形控制、 等离子体破裂 VDE 、伏秒数分析 • BPX - 燃烧控制、偏滤器分离磁面摆动 • TPX - 位形控制、垂直位移控制、等离子体破裂 • ITER - 伏秒数分析、位形控制、等离子体破裂 • TFTR - 伏秒数分析、杂质分析 • NSTX - 1MA球环伏秒数分析

  6. TSC物理模型 • 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，MHD方程组通过边界条件和外部极向场线圈中的电流相互耦合，同时在磁面坐标中求解压强和密度面平均输运方程 • 程序考虑了反常输运、新经典电阻率、辅助加热、电流驱动、 自举电流、 粒子加热、气泡模稳定性等许多物理模型，可以用于模拟控制系统、辅助加热、电流驱动等问题。

  7. Surface-Averaged Transport Equations

  8. TSC主要方程

  9. 围绕TSC程序开展的工作 • TSC程序的移植和开发 • 三个版本Pub5、Pub7、Unx10.2 • TSC程序与电流驱动LSC程序耦合 • 位形演变过程的放电模拟 • 模拟了EAST上升段和平顶段等离子体由园截面到所预定的拉长截面，由限制器位形到偏滤器位形的建立、演变、达到稳态的过程 • 垂直位移控制系统的数值模拟 • 探索了TSC程序进行垂直位移稳定性分析的方法 • 模拟了EAST垂直位移系统的控制响应过程 • 反剪切位形位形演变过程的放电模拟 • 用TSC+LSC程序模拟了EAST装置在ICRH LHCD下形成反剪切位形的过程

  10. EAST放电模拟研究 • EAST(HT-7U)装置特点 • 放电模拟方案的设计 • 放电模拟结果及分析

  11. 托卡马克磁体系统组成 • 环向场系统 • 产生强的环向磁场,与等离子体电流产生的较弱极向磁场形成具有旋转变换的磁场位形 • 极向场系统 • 加热场 变压器原理 感应等离子体电流 焦耳热 • 平衡场 抵消等离子体向外扩张 • 成形场 多极场 形成拉长截面 • 反馈场 配合被动致稳部件 控制等离子体的垂直

  12. HL-2A 极向场系统 1, 2, 3 – 多极场线圈 4 – 真空室 5 – 环向场线圈 6 - 欧姆线圈 7 – 等离子体

  13. EAST超导托卡马克装置 • EAST采用一体化设计方案的 极向场系统 • 极向场电流是以上各种场电流等的叠加 • 极向场系统的运行和控制变得更为复杂 • 长脉冲及稳态运行 • 考虑输运过程对等离子体行为的影响 • 将磁流体力学方程组和输运方程组结合起来进行放电过程的动态平衡演化模拟

  14. 放电模拟方案的设计 • 装置几何参数的确定 （二维模型） • 放电程序场的设计 PF 波形 • 反馈控制系统的设计 PID控制 等离子体位形控制 等离子体电流控制

  15. EAST装置基本几何参数

  16. EAST放电程序场的设计

  17. 放电程序场波形 加热场+平衡场

  18. 等离子体形状反馈的模型 • 观察对 (x1 x2) • PID控制 • 极向场线圈

  19. EAST的等离子体形状反馈设计 • 随时间变更观察对 • 合适的PID参数 • 作用于PF2,PF3,PF4和PF6 • 七套PID控制回路

  20. t7u 14:5 2 99-12-16 pf feedb ack 0 0 1 1 4900 200 200 0 11 29 1 10.8 19 1 6 1 -4.00E+06 -2.00E+06 19 1000 1 2 3 3 3 20 1 0 12 1 8 1 1.78 0 2.18 0 8 2 1.58 0 2.18 0 8 3 1.38 0 2.18 0 8 4 1.78 0 1.98 0.2 8 5 1.58 0 1.8 0.45 8 6 1.38 0 1.54 0.8 8 7 1.38 0 1.54 0.8 8 8 2.18 0 1.98 0.2 8 9 2.18 0 1.8 0.45 8 10 2.18 0 1.54 0.8 8 11 2.18 0 1.54 0.8 19 2 2 4 -1.00E+06 0 0 -5.00E+05 19 1000 4 5 6 7 7 20 2 0 12 0 0 1 0 19 3 3 4 -1.00E+06 0 0 -5.00E+05 19 1000 4 5 6 7 7 20 3 0 12 0 0 1 19 4 2 8 -1.00E+06 0 0 -5.00E+05 19 1000 8 9 10 11 11 20 4 0 12 0 0 1 19 5 3 8 -1.00E+06 0 0 -5.00E+05 19 1000 8 9 10 11 11 20 5 0 12 0 0 1 19 6 1 0 0 0 0 2.47 20 6 0 100 0 0 4 0 19 7 2 0 0 0 0 3.07 20 7 0 100 0 0 4 0 19 8 3 0 0 0 0 3.512 Input File

  21. EAST放电模拟结果（磁面演变）

  22. 电流分布演变

  23. 等离子体位形演变

  24. 上升段时间为4秒的放电模拟

  25. EAST初次放电模拟计算 • 圆截面限制器位形 • 纯欧姆放电 • 中心螺管将充电到8kA， • 电流爬升时间在0.5－2s间 • 平顶时间约为1－2s， • 平顶电流在100－400 kA之间 • 密度约为1－3e19/m**3

  26. 上升段起点的选择 • 击穿后 0.02秒 • 等离子体电流30 kA • p 0.03 • 密度 0.05E19/m**3 • 大半径R 1.60 • 小半径a 0.2 • 中心q 1.1 ,边界q 19

  27. 计算区域 • 计算区域 0.80m-2.88m X 1.68m • 网格 53 X 42 半平面 • 等离子体区 1.20m-2.60m X 1.00m • 限制器 1.36m2.38m

  28. 程序场的设计 • 基本思路: 加热场+平衡场 为原型 • 加热场 • PF1-12 等比例递减 • 平衡场 • 主要依靠PF13-14 • 随Ip递增

  29. 程序场波形 • c IGROUP GCUR(1) GCUR(2) GCUR(2) GCUR(2) GCUR(5) GCUR(6) • 15 1. 90.2 -8.2 -20.13 -97.98 -114.1 • 15 2. 98.2 36.2 44.95 34.89 21.22 • 15 3. 83.0 25.6 38.04 31.35 26.68 • 15 4. 744.0 70. -264.20 -860.9 -1298.65 • 15 5. 744.0 70. -264.20 -860.9 -1298.65 • 15 6. 50.8 -1.0 -12.60 -53.71 -74.64 • 15 7. 18.4 -99. -113.23 -155.09 -136.05 • c PCUR(1) ... ... ... ... PCUR(6) • 16 30. 240. 500. 500. 500. • c • c PPRES(1) ... ... ... ... PPRES(6) • 17 50. 8000. 60000. 63700. 63700.. • c • c RNORM(1) ... ... ... ... RNORM(6) • 24 .05 1.1 1.5 1.5 1.5 • c • c TPRO(1) TPRO(2) TPRO(3) TPRO(4) TPRO(5) TPRO(6) • 18 0.02 1.0 2.0 4.4 9.

  30. 等离子体形状反馈设计 c J XOBS(2J-1)ZOBS(2J-1)XOBS(2J) ZOBS(2J) 08 1. 1.36 0. 1.46 0. 08 2. 1.36 0. 1.81 0. 08 3. 1.36 0. 2.16 0. 08 4. 1.36 0. 1.41 .05 08 5. 1.36 0. 1.585 .225 08 6. 1.36 0. 1.76 .40 08 7. 1.36 0. 1.76 .40 08 8. 1.46 0. 1.41 .05 08 9. 1.81 0. 1.585 .225 08 10. 2.16 0. 1.76 .40 08 11. 2.16 0. 1.76 .40

  31. 等离子体形状反馈PID c L NRFB(L) NFEEDO(L) FBFAC(L) FBCON(L) IDELAY(L) FBFACI(L) 19 1. 7. 1. -4.0e6 -2.0e6 19 1000. 1. 2. 3. 3. c c L TFBONS(L) TFBOFS(L) FBFAC1(L) FBFACD(L) IPEXT(L) 20 1. 0. 4.56 1. c c J XOBS(2J-1)ZOBS(2J-1)XOBS(2J) ZOBS(2J) NPLOTOBS 19 2. 2. 4. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 4. 5. 6. 7. 20 2. 0. 4.56 0. 0. 1. 0. 19 3. 3. 4. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 4. 5. 6. 7. 20 3. 0. 4.56 0. 0. 1. 19 4. 2. 8. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 8. 9. 10. 11. 20 4. 0. 4.56 0. 0. 1. 19 5. 3. 8. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 8. 9. 10. 11. 19 12. 5. 4. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 4. 5. 6. 7. 20 12. 0. 4.56 0. 0. 1. 19 13. 5. 8. -1.0e60. 0. -.50e6 19 1000. 8. 9. 10. 11. 20 13. 0. 4.56 0. 0. 1.

  32. 等离子体电流反馈

  33. 内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果 Xmag q0 R Q edge Ip a 逆磁 Vsec-int Vsec-res PF current V sec Surface volt

  34. 内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果 lamda resis Null Taue-kg beta dipole Tau e P quarpole hexpole Te Ti

  35. Te Toroild field pressure Poloid field Ti Ip current Bz Q profile loop volt

  36. 极向场电流变化率 时间 0.02 0.13 0.47 0.70 0.93 1.04 1.27 1.50 1.72 2.06 PF1 6.44 5.52 2.54 0.75 -0.79 -1.32 -2.27 -3.31 -4.36 -5.91 PF3 7.03 6.38 4.24 2.91 1.61 1.18 -0.12 -1.73 -3.38 -5.76 PF5 5.95 5.31 3.19 1.92 0.71 0.44 -1.06 -2.76 -4.51 -7.02 PF79 3.00 2.67 1.69 1.03 0.36 0.09 -0.25 -0.61 -0.97 -1.49 PF11 0.85 0.74 0.41 0.20 0.00 -0.07 -0.15 -0.22 -0.30 -0.42 PF13 0.61 0.37 -1.36 -2.41 -3.30 -3.77 -4.93 -5.87 -6.84 -8.28 变化率(KA/s) PF1 -8.21 -8.73 -7.89 -6.75 -4.69 -4.19 -4.59 -4.64 -4.53 PF3 -5.77 0.72 -5.87 -5.72 -3.76 -5.74 -7.08 -7.26 -6.99 PF5 -5.60 -6.22 -5.64 -5.30 -2.43 -6.58 -7.50 -7.69 -7.38 PF79 -2.90 -2.90 -2.92 -2.92 -2.33 -1.52 -7.50 -1.59 -1.53 PF11 -0.94 -0.97 -0.93 -0.87 -0.62 -0.33 -0.35 -0.35 -0.35 PF13 -2.12 -5.07 -4.68 -3.88 -4.16 -5.09 -4.14 -4.31 -4.22

  37. 与EFIT程序的比较 3.00 0.85 5.95 0.56 7.04 6.44

  38. 内侧限制器100-400KA圆截面位形放电模拟结果 200KA 400KA 300KA 100KA

  39. 真空室的处理 • 真空室等效为90个导体环 • 每个导体环等效电阻7.2毫欧 • 真空室等效电阻80微欧

  40. 内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果(考虑真空室影响)内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果(考虑真空室影响) Xmag R Ip a Vsec-int Vsec-res PF11 PF13 PF9 PF1 PF current V sec PF3 PF5

  41. 内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果(考虑真空室影响)内侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果(考虑真空室影响) q0 resis Q edge beta 逆磁 Tau e Surface volt Te Ti

  42. 磁面演变

  43. 外侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果 Xmag R Ip a PF current Vsec-int Vsec-res PF11 PF13 PF1 PF9 PF3 PF5 V sec

  44. 外侧限制器500KA圆截面位形放电模拟结果 resis q0 Q edge beta 逆磁 Tau e Te Ti Surface volt

  45. 工作计划 • 优化PF波形 • 外侧放电模拟

  46. 谢 谢

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