HL-2A装置低频漂移波模数据库与机器学习初步研究

本文探索建立了HL-2A/3装置实验漂移波模数据库,并以此作为样本数据库,通过机器学习方法,利用人工神经网络预测托卡马克放电中漂移波模不稳定性的发生及其强度,为实现HL-2A/3等离子体实时参数控制提供参考。首先基于电子/离子温度梯度(η)、俘获电子份额(ε)、局域安全因子q和磁剪切s等4个基本参数构成的参数数据组(η,ε,q,s)作为变量,其他参数取有效的常数值,利用HD7代码计算相应模特征值数据,构建了一个低频漂移波模基本数据库。然后,基于BP神经网络与支持向量机(SVM)模型,分别进行了机器学习建模与编程实验,验证了对HL-2A装置离子温度梯度(ITG)\俘获电子模(TEM)不稳定性进行智能预测的可行性。研究结果表明,通过将参数集与数据集进一步扩充成完备数据库、并加快BP神经网络训练速度、或采用深度学习等更复杂模型,可以最终实现前述漂移波模预测目标。

反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性演化

[目的]在常规电阻撕裂模方程的基础上加入反常电子粘滞性,用圆柱位形的磁流体动力学,对由反常电子粘滞性引起的双撕裂模的非线性发展做了数值研究。[方法]通过对非线性发展阶段磁岛和磁力线的演化分析,详细研究了两个有理面间距分别为较大、中等、较小3种情况下,由反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性发展的不同阶段的磁场拓扑结构的变化以及相关动力学特征,探讨了非线性发展的驱动问题。[结果]研究表明,两个有理面的间距的大小,对双撕裂模非线性发展有很大影响。间距中等时,会发生快速磁重联,对位形破坏最快最大。[结论]研究结果对托卡马克的位形设计和运行时的控制提供了参考。

托卡马克理想导体壁与磁流体不稳定性

为了探索等离子体磁流体力学(MHD)不稳定性的导体壁效应以及壁设计思想,研究了基于HL-2A托卡马克偏滤器位形的、自由边界和多种形式的理想导体壁条件下的等离子体MHD不稳定性与装置MHD运行β极限.在稳定性计算中,考虑的是n=1扭曲模,该模对托卡马克等离子体MHD不稳定性有决定性的影响.研究着眼于验证多种形状导体壁抑制内、外扭曲模的有效性,观察运行β极限的变化,并讨论分析相关物理.研究发现在离等离子体适当距离处放置一个理想导体壁,可有效抑制外扭曲模.在壁与等离子体表面的平均距离相同、且足够小的条件下,圆截面壁并不一定是最佳选择,设置一个经过优化的多边形导体壁能更有效地抑制MHD不稳定性,它使本装置的理想MHD运行β极限β_(N)提高到2.73,比自由边界条件下(即假设壁设置在无穷远处的)装置的运行β极限值(~2.56)提高了约6.5%.这暗示需要根据有拉长、有变形的等离子体的极向截面形状,优化制作一个离等离子体表面平均距离尽可能近的多边形导体壁,才能取得抑制外扭曲模、提高β极限的最佳效果.

Experimental confirmation of the linear relation between plasma current and external vertical magnetic field in EXL-50 spherical torus energetic electron plasmas

A three-fluid equilibrium plasma with bulk plasma and energetic electrons has been observed on the Xuanlong-50(EXL-50) spherical torus, where the energetic electrons play a crucial role in sustaining the plasma current and pressure. In this study, the equilibrium of a multi-fluid plasma was investigated by analyzing the relationship between the external vertical magnetic field(B_(V)),plasma current(I_(p)), the poloidal ratio(β_(p)) and the Shafranov formula. Remarkably, our research demonstrates some validity of the Shafranov formula in the presence of multi-fluid plasma in EXL-50 spherical torus. This finding holds significant importance for future reactors as it allows for differentiation between alpha particles and background plasma. The study of multi-fluid plasma provides a significant reference value for the equilibrium reconstruction of burning plasma involving alpha particles.

中国环流器二号A(HL-2A)实验进展

中国环流器二号A(HL-2A)装置经过最近2年的改进和提高,电子回旋加热功率达到2MW,增加了液氮温度分子束加料系统,三台阶带状流探针阵列、微波反射仪和汤姆逊散射等诊断系统等。利用其所具备的条件,在该装置上开展先进托卡马克实验,进行了磁约束聚变科学关键课题的研究;在若干领域,取得了重要物理实验成果,包括首次在托卡马克装置上观测到测地声模带状流的环向对称性和三维结构,创造了电子温度达到5000万度的国内纪录等;在其他领域,比如偏滤器物理、等离子体旋转、高能电子的作用、粒子和能量约束及磁流体不稳定性等方面,积累了丰富的实验数据。该装置的升级与改造工作正在研发之中。

电子温度梯度不稳定性

本文给出了无碰撞等离子体中电子温度梯度驱动的不稳定性的某些性质,包括η_e的阈值、长波不稳定区以及β值的影响等。

托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的数值模拟和并行效率

对托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的动力学特征进行了数值模拟,通过区域分解法实现了数值模拟程序并行化,并行效率随计算机规模的增加而提高,结果与理论分析相吻合.并行模拟程序也适合MHD非线性撕裂模的数值求解.

用GATO代码模拟HL-2A装置实验的MHD稳定性

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-1装置外垂直场代替内垂直场的改进

利用缝隙系数将钢壳内外各种电流源在壳内产生的磁场分成两部分,一部分按无壳处理,另一部分按无洞无缝的铜壶处理,因而各部分垂直场的解析计算结果与实验值符合很好,并能很好地解释HL-1装置平衡放电长达1S和外加垂直场很小的根本原因。经在装置上关闭内垂直场试验,结果表明,虽然有厚钢壳存在,外垂直场完全可以代替内垂直场。与以前相比,明显地改善了等离子体位置的平衡控制。

托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响

托卡马克实验发现,在不同参数条件下,等离子体能量约束经验定标律会有或大或小的修正.为解释这种修正现象发生的原因,应用回旋动理学方法,对含重(钨)杂质等离子体离子温度梯度(ITG)(包括杂质模)湍流输运的同位素效应进行了数值研究.结果表明钨杂质效应极大地修改了同位素定标律和有效电荷效应.随着杂质离子电荷数Z和电荷集中度f_z的变化,同位素定标律在较大范围内变化. ITG模最大增长率定标大约为M_i^(-0.48→-0.12),杂质模的定标为M_i^(-0.46→-0.3),其中, M_i表示主离子质量数.在ITG模湍流中,有效电荷数越大,关于M_i的拟合指数偏离-0.5越远,表现为同位素质量依赖减弱.在两种模中,杂质电荷集中度越大,同位素质量依赖越弱.研究了杂质效应使定标关系发生偏离的原因,证实杂质种类、杂质电荷数和杂质浓度的不同,是引起同位素质量依赖发生改变的重要原因.结果证实并解释了不同参数条件下托卡马克同位素定标的差异性.研究成果可以为ITER实验安排及杂质相关输运实验中选择装置材料、工作气体和设置其他参数提供理论参考.

基于谱估计方法的等离子体湍流三波耦合数据处理算法

基于数字谱分析技术求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性耦合系数和能量转移,以此开发了数据处理程序用于研究HL-2A装置等离子体边缘湍流中的非线性能量传递过程。介绍了算法设计和开发的主要思想。应用该程序对与带状流相关的一次放电的实验数据进行了数据处理研究。结果表明,带状流是由等离子体湍流的能量逆级联所驱动的。

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,不但可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托卡马克等离子体的扭曲不稳定性研究

扭曲模是托卡马克等离子体中一种常见的磁流体力学不稳定性。而安全因子(q)和比压(β)对扭曲模的产生、发展以及稳定化有着重要的、甚至是决定性的影响。本文从实验与模拟相结合的角度,基于HL-2A装置实验的一炮典型的偏滤器放电位形,研究了安全因子q和极向比压卢。对内扭曲模和外扭曲模的影响,分析了不同参数条件下的扭曲不稳定性。结果表明,当磁轴上的安全因子q_0<1时,内扭曲模有可能不稳定。当q_0>1时,内扭曲模是稳定的。而极向比压卢。对内、外扭曲模都有去稳作用,峰化的等离子体电流剖面(或安全因子剖面)对扭曲模有稳定作用。有关扭曲模稳定化措施中,必须综合考虑安全因子剖面和等离子体比压值,以利于实现托卡马克高性能放电。

中国环流器2号A托卡马克弹丸注入放电中空电流与反磁剪切位形

具备弱剪切或负磁剪切和内部输运势垒的托卡马克运行方式被认为是提高聚变性能的最有前途的方法.中空电流密度剖面与反磁剪切位形是改进堆芯约束和形成内部输运垒的关键条件之一.在中国环流器2号A(HL-2A)弹丸注入实验中,成功地实现了维持时间约为100 ms的中空电流放电.伴随着中空电流剖面的形成,同时形成了反磁剪切位形.由于欧姆加热功率不太高,且没有外部辅助加热,只能在稳定的中空电流放电阶段看到内部输运垒形成的趋势.在弹丸注入后,电子热扩散系数显著降低,说明弹丸深度注入改善了能量约束.等离子体性能的增强:一方面是由于弹丸注入造成中心高度峰化的电子密度剖面;另一方面是由于等离子体中心存在负磁剪切.同时,中空电流位形有利于改善高密度等离子体的稳定性.结果还表明,在中空电流放电中,等离子体比压值是低的.为了提高β_(N)极限,可在等离子体边界附近放置导电壁.HL-2A弹丸注入实验的结果,为在限制器托卡马克上获得高参数放电提供了一种可能.

一类奇异复本征方程组的数值计算

利用基本解矩阵法数值求解一类带有奇异点的复本征方程组,并对奇异点的消除和复本征值的确定及数值不稳定性等问题进行了讨论,编制了求解程序代码,并应用于离子温度梯度(ITG模或iη模)驱动不稳定性研究的数值模拟.实例计算表明,数值结果与理论分析完全吻合.

球形环研究概述

球形环是一种先进的磁约束核聚变研究装置 ,它保留了传统托卡马克装置的许多特点 ,比如说封闭磁面系统 ,中等旋转变换磁力线和好的等离子体约束性能等 ,同时又有低环径比 ,低纵向磁场 ,从而具有结构紧凑 ,造价相对低廉等优点 ,是有潜力的磁约束核聚变途径之一。概述了球形环的装置、实验。

HL-2A装置带状流和湍流模数分布及其探针系统

利用往返式朗缪尔探针组在HL-2A装置等离子体边缘首次同时观测到明显的低频(f=0~5kHz)和测地声模(f=16kHz)带状流的极向和环向对称性(m^0,n^0),径向结构及其传播特征。并同时推算出流的径向波矢(Kr-LF=0.6 cm-1,Kr-GAM=2cm-1)。双谱分析的结果表明低频和测地声模带状流的形成可能都是由于高频湍流和这种流之间的非线性三波耦合引起的。初步研究了电子回旋加热功率和边界安全因子引起带状流幅度的变化。此外,也观测了带状流幅度在径向方向的改变。

一种等离子体湍流实验数据分析程序的设计与应用

针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题,开发了数据分析程序。该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移。介绍了算法设计和程序开发的主要思想,并对程序进行了仿真测试。然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据,观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象,发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制。

Fokker-Planck程序包的开发与应用

在已有基础上,考虑了各种不同类型的加热模式,增加了计算功能,开发适用于描述多份量等离子体中粒子的动力学过程的软件包;已用于磁约束环形装置等离子体辅助加热与电流驱动的数值模拟,数值结果与理论分析完全一致。