托卡马克的启动与等离子体成形控制研究

等离子体的启动和位形控制是托卡马克运行的重要课题。精确的形状控制，可提高等离子体的约束性能和稳定性，对杂质控制和装置保护也极其重要，还可优化波与等离子体的耦合。本项目在EAST和HL-2A及其他装置上研究具有先进磁面位形结构的控制系统和控制方式，模拟未来堆级的放电，探讨等离子体位形识别、位形控制、垂直位移控制以及优化控制降低涡流损耗等关键问题的解决途径。发展相关数值模拟技术，指导实验运行，预先检测控制手段。托卡马克启动在常规装置上已有大量研究，但全超导装置，如ITER，要求低环电压和慢的电流上升率，电流上升还必须解决同密度控制、伏秒消耗、电流剖面建立、成形和稳定性的关系。这些也是本项目的重要目标。本项目的成功实现，既保证两大大科学工程装置EAST和HL－2A有高水平高效的研究平台，开展高水平的物理实验，更是未来装置上的预演和经验积累，为ITER未来成功的启动和运行提供直接的经验。

自主发展了一系列等离子体控制算法，实现了等离子体密度反馈控制、高通滤波的垂直位移控制、打击点控制、单零偏滤器位形控制和辐射反馈控制等，实现了长脉冲乃至准稳态的等离子体控制机制和系统集成。基于反射内存技术，实现了控制信号的无损传输和实时参数显示；发展了基于Web的PCS用户界面系统，满足远程控制和参与的需要。为本项目的开展奠定了控制基础。.建立和验证了EAST的TOKSYS系统模型，实现对一体化设计的多个极向场线圈的解耦控制，有效控制了等离子体电流、位移和形状；设计了等离子体击穿和电流上升的多种放电方案，实现了稳定可靠的常规等离子体启动，实现了低至2V的低杂波辅助下的等离子体启动。建立了EAST的TSC模型，预测并用模拟结果指导了实验，模拟的雪花偏滤器演化过程即将指导实验发展。离线和实时平衡反演取得了一致且较为可靠的结果，还发展了基于GPU的并行磁面反演算法，可取得比RTEFIT更快更准的反演结果。探索了其他边界反馈控制方法， XLOC可在RTEFIT的同等重建精度下，速度上略胜一筹。系统模拟和研究了EAST垂直位移特性和控制能力，为快控线圈及电源改造指明方向，以使控制更加可靠。.实现了包括上升段等离子体成形控制在内的限制器、单零和双零偏滤器等离子体边界反馈稳定控制，在L模、H模以及L/H转换下保证了垂直位移稳定控制，实现了各种条件下的多种单、双零偏滤器位形的稳定放电，系统性地解决了在一体化的欧姆场和成形场的多线圈、有限的电源功率和响应和复杂的被动结构和电磁环境下的等离子体启动和成形问题，还提供了多种控制偏滤器热负载的手段，从控制上保证了EAST上超过世界记录的长达400s的偏滤器位形的稳定放电。.在EAST上利用微波反射计及电子回旋辐射成像（ECEI），获取了等离子体密度及温度分布数据；利用ECEI测量了锯齿破裂下电子温度的涨落，推演q=1磁面几何形状及磁轴位置；还观测到等离子体启动阶段的不稳定现象。.在HL-2A装置上评估了等离子体电流上升率的稳定性区间，优化了伏秒消耗；开展了RZIP刚性模型、多输入多输出控制器和垂直不稳定性研究。采用分子束注入和ECRH系统实施密度反馈，提高了控制精度和性能。开展ECRH低环电压环启动的研究，研究ECRH功率、充气压力和气体成分与杂散场的关系，在环电场低达0.05V/m的条件下，成功实现了启动，取得了国际领先的控制结果。