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。

HL-2A装置高β_(N)双输运垒实验的集成分析

HL-2A托卡马克装置在中性束加热条件下获得了稳定的归一化环向比压(β_(N))大于2.5的等离子体,并且实现了瞬态β_(N)=3.05、归一化密度(n_(e,1)/n_(e,G))~0.6、储能(WE)~46 kJ和高约束因子(H_(98))~1.65的高约束性能.本文使用集成模拟平台OMFIT对β_(N)=2.83和β_(N)=3.05时刻的等离子体进行了集成模拟,计算得到的WE,n_(e,1)/n_(e,G),H_(98)和β_(N)等与实验参数基本一致,并通过计算发现两种情况下自举电流份额(fBS)分别约达到45%和46%.此外,还进一步分析了HL-2A装置形成离子温度内部输运垒(ITB)的原因:快离子和E×B剪切流使得芯部湍流输运被抑制,改善了约束,从而形成了离子温度ITB.离子温度的ITB与H模边缘输运垒相互协同形成了高β_(N)的等离子体.

基于HL-2A可见光谱成像系统的等离子体边界识别算法研究

基于HL-2A托卡马克等离子体可见光成像系统设计了用于等离子体边界重建的算法,具有运算速度快、对各种噪声信号具有较好的鲁棒性等优点。算法首先运用数字图像处理的基本算法处理可见图像,然后提取图像中的等离子体边界坐标并进行拟合,最后经过坐标变换得到等离子体边界的实际空间坐标,即重建的等离子体边界。将重建的等离子体边界与EFIT重建的最外闭合磁面进行对比,中平面强、弱场侧位置的误差小于8.5mm,边界总体平均误差小于11mm,在实验中的硬件设备及软件平台上识别每幅图像的平均耗时为3ms。该算法在目前的实验结果下有望用于等离子体位形识别及控制中,与EFIT在定性和定量上具有一致性,并且不受磁场影响,具有良好的稳定性和鲁棒性。

Soret和Dufour效应耦合对HL-2A偏滤器靶板氘浓度与温度双扩散的影响

在L/H模放电情况下,考虑Soret和Dufour效应耦合影响,用JD-CF程序研究了HL-2A偏滤器靶板中氘粒子浓度、温度、滞留量随时间变化影响。结果表明,在L/H模放电下,Soret和Dufour效应会对不同靶板材料(RAFM钢/钨)内不同位置处氘浓度分布、温度分布、氘滞留量产生一定影响,其最大变化率约为10%。在H模放电下Soret和Dufour效应对靶板的影响比在L模放电下的更明显,且对RAFM钢的影响比对钨的更明显。该研究结果对研究边缘等离子体输运、聚变堆燃料再循环、氚的滞留及投料量有一定参考价值。

基于深度学习的HL-2A鱼骨模识别算法研究

基于深度学习的方法,在HL-2A装置上开发出了一套鱼骨模(FB)识别算法。算法使用858(780次放电训练,78次放电验证)次放电数据、约46.38万数据切片进行训练与验证,得到了一个主要由卷积层、残差连接层、全连接层组成的卷积神经网络。为衡量算法的识别能力,该算法被用来扫描式地识别了HL-2A装置的780次放电数据,共识别出86820次FB区间,其中误识别4327次,误报率为4.75%。在实际的97145次FB区间中,漏识别10325次,对应的漏报率为10.63%,总整体的识别正确率达到了94.26%。该误报率和漏报率可以满足FB识别的精度要求。

HL-2M装置内部输运垒湍流输运的GTC模拟研究

HL-2M托卡马克是我国新一代磁约束聚变等离子体装置,目前已经实现了等离子体电流1 MA的高参数运行模式。本文采用回旋动理学GTC(Gyrokinetic Toroidal Code)程序,研究了具有双输运垒结构的先进运行模式下该装置内部输运垒(Internal Transport Barrier,ITB)的湍流输运。研究结果表明:ITB湍流输运呈现两次连续饱和过程,计算获得的平均离子热扩散系数约为首次饱和水平的两倍。对湍流发展的极向谱和线性色散关系的研究表明,第一次饱和湍流输运由波长kθρi~2.15的短波模式主导,而第二次饱和以kθρi~0.49的长波模式主导;同时,体系湍流的能量由短波模式反向级联到长波模式,湍流饱和阶段径向热扩散系数在输运垒位置处呈现“M”形分布。考虑等离子体带状流结构,数值模拟结果表明:该运行模式下带状流对湍流输运饱和水平没有明显的影响。此外,输运垒等离子体温度和密度梯度最大处对应的湍流饱和期的径向离子热扩散系数最低,极大地增强了对等离子体的约束。

HL-2M装置测量控制系统运行管理研究

以现有聚变实验工程管理运维经验为基础,根据HL-2M装置测量控制的新需求,参考ITER控制、数据采集及通讯规范,开展了HL-2M测量与控制系统运行和管理研究。通过对全域子系统进行统一配置及管理,架构高性能网络完成不同通讯任务,设计扩容高速物理数据存储系统,实施运行状态监测与报警等,规划建设了HL-2M集成化测控系统管理运行平台。这项研究立足于优化实验信号质量,实现实时信号高效传输,提高实验工程管理自动化水平,保障实验过程中设备与数据安全并具备较高可实施性。

中国环流器二号A装置(HL-2A)工程研制

中国环流器二号A装置(HL 2A)(设计指标:大半径1.65m、小半径0 4m、环向磁场2 8T、环向等离子体电流480kA)是我国已建成的第一个偏滤器托卡马克实验型磁约束聚变装置。HL 2A装置的首要研究目标是利用其独特的大体积极向偏滤器在高参数等离子体条件下开展与偏滤器位形运行有关的研究。本文总结了HL 2A装置工程设计、制造与安装、工程调试等研制的主要内容和关键技术。工程调试和初步物理实验的结果表明:HL 2A装置的主要工程参数和性能已具备开展物理实验的条件,并已成功地运行于偏滤器位形。2003年11月底,HL 2A装置获得等离子体电流168kA,等离子体存在时间920ms,等离子体线平均密度1.7×1019m-3,环向磁场1 4T,极限真空度为4.6×10-6Pa。

等离子体破裂时HL-2M真空室的结构应力分析

利用ANSYS有限元程序分析计算了等离子体线性大破裂时HL-2M真空室上的感应电流及电磁力,并对真空室进行了结构应力分析。结果表明,真空室上主要产生环向感应电流和径向电磁力,且主要集中在真空室壳体的柱状段;在破裂产生的电磁力及其他机械载荷的作用下,真空室的结构设计能较好地满足强度和刚度要求。

HL-2M环向场线圈的结构设计

设计了HL-2M环向场线圈基本形状、特殊的指形接头和斜面接头以及馈线、绝缘结构和水冷回路。每个环向场线圈由L形中心段、上弧段和外弧段分别通过指形接头和斜面接头组装成完整的D形线圈。分段可拆卸的D形线圈结构可以使得真空室和单个极向场线圈分别整体吊装到环向场线圈内侧。单根引线和双回线的馈线结构既能节省装置空间,又能降低杂散磁场。TF线圈匝间绝缘500V,对地绝缘30k V。采用软焊在线圈旁侧槽内的铜管对线圈进行水冷以带走线圈放电产生的焦耳热。

HL-2M装置基本位形初步设计

利用EFIT为HL-2M装置设计了孔栏位形、双零偏滤器位形和下单零偏滤器位形三种典型平衡位形;三种位形满足HL-2M装置的物理目标给出的位形参数的总体要求,即大半径1.78m、小半径0.65m,且位形具有高拉长比、大三角形变等特点。同时充分考虑CS线圈电流对位形的影响和PF线圈电流限制,分别设计了等离子体电流为1.2MA和3MA的三种基本位形放电波形;利用TSC分析了等离子体电流为1.2MA的HL-2M装置放电演变过程中伏秒数消耗。

HL-2A装置第一壁石墨组件研究

HL 2A装置的第一壁由石墨构件、Cu偏滤器靶板和AISI304LN不锈钢真空室内壁组成。石墨构件总重量为44kg,覆盖面积为2 8m2,覆盖率为2 2%。由于HL 2A装置所用石墨件材料均为历经长期托卡马克实验和长期暴露大气的石墨材料,因此石墨构件的处理效果显得更为重要。介绍了EK98、SMF 800石墨材料、ASDEX装置用CFC、国产CFC的研究结果和HL 2A装置第一壁石墨材料预处理及其结果。

HL-2A装置供电系统

描述了HL-2A装置供电系统,该系统主要由三套飞轮脉冲发电机组、磁场电源系统和辅助加热高压电源系统组成。电源系统总脉冲容量达到300MVA,一次脉冲释能1200MJ。简要介绍了电源的控制系统和实验结果。

HL-2M装置控制系统的概念设计

介绍了HL-2M装置控制系统的静态架构、动态行为、控制理论以及模拟仿真。设计采用通讯网络将各控制子系统有机地连接起来,以实现各子系统的实时通讯和控制。等离子体放电控制系统将保证实验的各种参数达到预定要求,监控系统的故障处理机制可以减少各种实验异常对装置造成破坏,磁场控制系统的各种控制器则用来控制等离子体电流和位形,模拟仿真系统可以实现方便地验证控制器的目的。

HL-2A真空室预装抽气与检漏试验

4套前级汇总式分子泵三级抽气机组由包括4套3500L·s-1分子泵、2套600L·s-1罗茨增压泵和2套70L·s-1机械泵组成,对环有效抽速为6 4m3·s-1(H2)。用氦质谱检漏仪、四级场质谱计与氦质谱检漏仪相结合的方法分别进行了零部件和真空室总体检漏,真空室总漏气率≤1.2×10-5Pa·m3·s-1。采用有效除气措施后,HL 2A真空室预装本底压强为1.1×10-4Pa。

实验物理与工业控制系统平台在HL-2A主机测控系统中的应用

描述了利用实验物理与工业控制系统(EPICS)平台对HL-2A主机运行参数进行的集中测控系统开发。系统采用s7nodave设备驱动模块,实现了Soft IOC与各PLC的通讯,将各子系统的PLC集成到了EPICS控制系统中。通过对关系型数据库和应用层软件CSS中数据归档及报警等组件的扩展与配置,实现OPI层与各个子系统的实时通信。测控系统成功地将HL-2A主机参数集中在EPICS平台下运行,为下一代装置的主机集中测控系统设计打下了基础。

人工神经网络在HL-2A装置汤姆逊散射数据处理中的应用

人工神经网络是一种强大的非线性数据分析算法,其中的感知器神经网络第一次被用于处理HL-2A装置上汤姆逊散射系统的电子温度数据。采用输入层、隐藏层和输出层等三层神经网络结构,输入层为标定数据或测量数据,隐藏层使用sigmoid函数作为传递函数,输出层为电子温度值。从数据处理结果可以看出,该计算方法与传统的χ~2最小值方法计算的结果吻合,能够得到可靠的电子温度数据。而且由于计算温度时采用矩阵计算,计算速度比使用χ~2最小值法提高20倍以上,为将来利用汤姆逊散射测量的电子温度数据实现等离子体剖面实时反馈控制提供了可能。

HL-2A主机改造的初步方案

为进一步提高HL-2A装置的放电参数和优化等离子体位形,给出了三种可能的主机改造途径:保留真空室,去掉并调整真空室内部分多极场线圈的局部改造方案;保留真空室,重新布局极向场线圈的中等规模改造方案;重新设计真空室和极向场线圈系统的大规模改造方案。对三种改造方案对放电参数和位形的影响和改造工程的可行性进行了分析比较,重新设计真空室和极向场线圈系统的大规模改造方案是最佳选择。

HL-2M环向场线圈匝间剪切应力分析

介绍了HL-2M环向场线圈的基本结构设计及其承受的电磁载荷,分析了水平预加载、中心柱预应力筒以及环向抗扭支撑对线圈匝间剪切应力的影响。结果表明,水平预加载及预应力筒在中心柱内产生的压应力有利于提高中心柱的抗扭刚度;环向支撑刚度增加可减小线圈的面内剪切应力。在正常运行工况下,环向场线圈的最大匝间剪切应力小于8MPa,其结构设计满足线圈强度要求。对于大破裂瞬态事件,匝间最大剪切应力约12MPa,接近绝缘材料的剪切疲劳极限,建议采取破裂抑制措施避免该情况发生。

HL-2A装置等离子体可见光成像系统

在HL 2A装置上研制了等离子体可见光成像系统,用于孔栏、偏滤器位形放电的诊断。该成像系统由彩色摄像机、观察窗和转向镜、广角收集和准直透镜组、采集卡和计算机组成。本文描述了系统的布局和各部件参数的匹配,报道了观测到的实验结果。等离子体成像系统能监视放电的整个过程,实时显示可见光辐射图形,特别在识别孔栏与偏滤器位形放电的诊断中发挥了重要作用,成为HL 2A装置放电的重要诊断手段。