基于集群技术构建聚变研究高性能计算系统

高性能计算是解决大规模聚变模拟计算的有效途径。介绍如何基于集群技术构建聚变研究高性能计算系统,分析了系统的基本体系结构,从硬件和软件两个方面详细解析其高性价比的构建技术。最后,运用基准测试程序(LinPACK和NPB)对这一系统进行测试,显示了该系统高效的并行计算性能。

kA级双阶梯脉冲电源方案设计与分析

托卡马克装置预电离过程中,环向磁场应与电子回旋波频率相匹配,NCST装置现有的电子回旋波频率较低,为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配,提出新的环向场线圈电流产生方案,在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后,设计了全控型和半控型两种方案,从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动成本和安装便捷性四方面对比两个方案的优缺点,最终选定半控型改造方案。根据现场条件制作电源改造柜,尽量减少对原有电源柜的改动。实际测试结果显示,两个电流台阶衔接正常,低电流台阶宽度可调、幅值可调,满足改造要求。

核聚变装置中双级单活塞轻气枪弹丸发射过程的数值模拟

核聚变装置中双级单活塞轻气枪弹丸发射过程的数值模拟石玉美，何雅玲，吴沛宜，孙文哲，肖正贵（西安交通大学能源与动力工程学院西安７１００４９）（核工业部西南物理研究院聚变科学所）关键词：核聚变，单活塞轻气枪，数值模拟１引言轻气枪是用来给核聚变反应堆添加燃...

国际热核聚变实验堆朗缪尔探针用高纯氧化铝陶瓷的制备

针对国际热核聚变实验堆偏滤器朗缪尔探针的绝缘部件尺寸小、脆性高、机加工性能差等特点,以高纯超细氧化铝粉为原料,采用粉末注射成形工艺制备高纯氧化铝陶瓷管,并对其物相组成、微观组织、热学和电学性能进行表征和分析。结果表明,高纯氧化铝陶瓷管中氧化铝的质量分数达到99.99%,主晶相为α-氧化铝,晶粒规则,结构致密,具有优良的热导率、抗热冲击性能和电性能。

300 MV·A脉冲发电机组向HL-2M装置环向场供电仿真研究

为实现对环向场电流的高效准确控制,提高中国环流器二号M托卡马克装置的实验效率,开展了针对300 MV·A六相脉冲发电机组向环向场脉冲放电的仿真研究。从300 MV·A六相脉冲发电机组向聚变装置环向场供电系统的拓扑出发,以等效处理分析为基础建立了仿真模型并进行脉冲放电动态过程仿真。通过对比分析仿真波形与300 MV·A六相脉冲发电机组向HL-2A装置供电的实际波形,验证了仿真模型的可靠性和合理性。在此基础上进行了300 MV·A六相脉冲发电机组向HL-2M环向场供电过程仿真研究,根据不同的环向场电流平顶值,得到了其对应的300 MV·A六相脉冲发电机组励磁电压控制波形,可以作为下阶段装置高参数实验实际控制的重要参考和先进控制策略研究平台。

基于CompactRIO的脉冲发电机励磁控制器设计

为了提高HL-2M脉冲发电机励磁控制系统的控制效率,实现HL-2M高参数等离子体物理实验先进控制,基于CompactRIO嵌入式系统设计了一种兼具励磁调节与脉冲触发功能,可适用于不同脉冲发电机的励磁控制器。励磁调节在RT中执行,在1ms控制周期内实时调节励磁电压实现发电机输出控制,同时检测过压过流故障信号和进行灭磁处理,并可根据需求灵活设置励磁调节方式;依托CompactRIO的可重配FPGA实现同步信号周期检测、同步信号故障判断、双窄脉冲生成等功能;上位机具有控制命令发送/接收、数据传输与解析、数据保存与显示功能;通过TCP/IP协议和共享变量实现励磁控制器内部可靠通讯。搭建小型实验平台进行励磁控制器功能验证,同步信号周期测量误差小于10μs。结果表明:该控制器具有良好的可靠性,满足基本功能需求。

深入理解ADO.NET的更新机制

描述了ADO.NET的更新机制,对不同的更新方式的优劣进行了论述,并提出对应用开发中的高级数据更新场景的解决方法。

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。

国际热核实验堆第一壁材料CuCrZr合金及其与不锈钢焊接接头的力学性能

将经过真空熔炼、铸造、热轧后的国际热核实验堆(ITER)第一壁中所使用的CuCrZr合金进行960～1 040℃固溶处理后,分别在475℃和580℃进行时效处理;对CuCrZr合金的力学性能进行测试,对显微组织进行观察;将CuCrZr合金与316L不锈钢进行热等静压(HIP)焊接,对焊接接头组织与性能进行了研究。结果表明:该合金经时效处理后硬度和强度较固溶态都有明显的提高,尤其是475℃保温3 h的时效强化效果最为明显,但合金晶粒发生了明显的长大,伸长率也明显降低。CuCrZr合金和316L不锈钢焊接接头性能良好,但在界面附近的晶粒尺寸差别较大,同时还有脆性相析出。

HL-2A装置环向场电源系统及其控制

HL-2A环向场电源系统采用400kVA同轴励磁机作为80MVA发电机组励磁的交流电源,两组三相全控整流桥并联为机组励磁线圈供电(主励),另外一组完成励磁机本身的励磁(副励)。发电机两个错30o Y形绕组接二极管整流柜为环向场线圈供电。发电机组经拖动电机加速到1488rpm处放电,由环向场计算机系统通过控制脉冲发电机组的励磁电流调整发电机的输出电压,实现对环向场脉冲电流波形的调节。

基于DSP的单相无环流交交变频控制系统研制

介绍了单相无环流交交变频控制系统设计的控制原理及DSP控制系统硬、软件的具体设计,在搭建的主回路平台上,并给出了整体调试结果。在DSP控制系统的驱动控制下,单相交交变频器能输出频率为0～20Hz电流和电压波形,电流无环流死区时间为0.8ms。调试结果显示,所研制的DSP单相交交变频数字控制系统具有较高的控制精度和实时性,为下阶段研究三相控制系统打了下很好的基础。

掺杂石墨在高能激光束和电子束作用下的热冲击行为

石墨被广泛用于当今的托卡马克装置中 ,作为真空室第一壁和偏滤器靶板的保护材料 ,也是未来聚变堆的一种候选面对等离子体材料。其抗化学溅射性能和抗热冲击性能受到广泛关注。用高能激光束和电子束轰击实验材料 ,模拟聚变堆面对等离子体材料在等离子体破裂时的工作状态 ,考察了 4种掺杂石墨材料在热冲击下的热腐蚀规律。实验结果表明 ,石墨掺杂能有效降低材料的烧蚀率。当激光单脉冲能量密度为 491 5KJ m2 时 ,冲击频率 1 0Hz,持续辐照 3 0秒后 ,几种掺杂石墨的失重率不超过2 1 3 6mg cm2 ,表现出了比纯石墨更优良的抗热冲击性能。

托卡马克脉冲电源实时控制系统设计

为提高托卡马克装置磁场电源的控制性能,实现对等离子体的先进控制,设计了基于LabVIEW RT和FPGA的磁场电源实时控制系统。根据等离子体控制对电源控制系统实时控制的要求,使用反射内存卡实现实时数据传输,应用实时操作系统来保证系统的确定性应用和系统的可靠性,采用NI 7813R系列数据采集卡实现对晶闸管变流器的控制。实验结果表明,该系统满足等离子体放电对电源控制系统实时性的要求,并具备较高的可靠性和稳定性。

基于PLC的HL-2A装置大功率电源监控系统

为保证核聚变实验装置HL-2A的大功率磁场电源系统的正常可靠运行,电源逻辑与控制保护系统采用了以西门子可编程序控制器(PLC)为核心的设计方案。此系统由2台上位监控机、1个PLC主站和4个由ET200M组成的子站构成,通过Profibus现场总线通讯,软件采用西门子STEP7和WinCC组态软件。给出了大功率电源控制系统的控制要求、功能和工作原理以及系统PLC硬件构成图和软件流程框图,总结了系统研制中一些实际问题的解决办法。该系统实现了电源运行的自动控制、状态监测、系统管理及故障诊断和事故保护报警等功能,已研制调试完毕,并正式投入运行。应用结果表明,该系统设计合理,运行稳定可靠,较好地满足了物理实验对电源控制的要求。

5MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%（可调）,然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10kV·A。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示：该电源最大输出为220kW/1500A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。

分布式微机大规模DAS实现技术

本文介绍了分布式微机大规模ＤＡＳ实现技术。主要包括数据共享和统一管理基础、参数表驱动技术、采集量扩展技术、优化的取数方式、脱机数据采集、数据处理过程中的选点和处理次序的确定、处理结果共享及多道多重处理中的相关通道指定技术。利用这些技术，以ＰＣ机为主控机所建立的大规模ＤＡＳ，同现行的以小型机为主控机的大规模ＤＡＳ相比，数据采集能力相当，而数据处理的速度却远快于后者，系统的管理和使用也简单得多，并且大幅度地降低了系统的成本。

CCD在弹丸消融观测中的应用

描述 CCD器件在 HL-1 M多发弹丸加料实验中观测短暂消融云的应用结果 ,并介绍一种有特色的触发方式用弹丸自身辐射的氢α射线启动相机。实验证明 :这种安排能取得大量照片 ,CCD成功地应用于弹丸消融过程观测 ,图片处理分析后获得消融云形状、结构和辐射强度分布等。可以相信 CCD诊断方法不但加深了弹丸加料的认识 。

基于DSP的三相无环流交交变频控制系统研制

介绍了三相无环流交交变频控制系统设计的控制原理及其DSP控制系统硬件和软件的具体设计,并给出了在搭建的主回路平台上进行整体调试的结果。在其DSP控制系统的驱动控制下,三相交交变频器能输出频率为0～15Hz电流和电压波形,电流无环流死区时间为1.2ms,调试结果显示所研制的DSP三相交交变频数字控制系统具有较高的控制精度和实时性。

两套80MVA机组超同步双馈调速装置的研制

为满足 HL-2A 装置环向磁场的要求,成功研制了两套80MVA 机组超同步双馈调速装置。基于三相逻辑无环流交交变频器,通过对两台2500kW 拖动电机采用双馈电机定子磁场定向的矢量控制技术进行调速后,将机组的最高转速由以前的额定转速1488r/min 提高到1650r/min,每台机组的一次脉冲放电释能达到500MJ,从而使 HL-2A 装置环向磁场能够达到2.8特斯拉。

撑起“人造太阳”

七方共建“ITER计划”ITER计划由美国和前苏联于1985年提出倡议,1988年开始正式设计。2006年11月21日,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件,计划正式启动实施,目标是共同建造一个超导托卡马克聚变实验堆,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。由于其原理和太阳发光发热的原理相似,因此也被称为“人造太阳”。2008年以来,中国陆续承担了ITER计划中的18个采购包,成为除欧盟外承担任务最多的国家。