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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。     

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利用ANSYS CFX有限元程序建立了HL-2M欧姆测试线圈和冷却水模型,应用热传导和对流换热方程建立了流固边界层,对线圈的温升和冷却进行了流固耦合计算。计算结果表明,线圈由焦耳热引起的最高温升与电流密度、等效放电运行时间有关,而冷却水流量对最高温升影响较小,冷却水流量主要决定线圈的冷却时间间隔的长度,欧姆测试线圈的最长冷却时间间隔为5min。     

HL-2M 装置运行控制技术初步研究

重点介绍了 HL-2M 装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果,包括等离子体放电方案设计、 线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险,HL-2M 装置初始放 电采用了简化的放电方案,通过整定 PID 参数实现了线圈电流控制,在击穿阶段获得了 10V 以上的环电压和较大 范围的零场区域,成功实现等离子体击穿。最后,投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法,成功将等离子 体放电脉宽提升至 200ms 以上,且维持 I_p≥100kA 的时间超过了 100ms,上述结果表明 HL-2M 装置运行控制技术 得到了初步的检验。      

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通过采用控制变量法,调整引线外弧段半径、回线内外弧段半径及回线与TFC间隙等参数,使HL-2M装置的TFC馈线系统在等离子体区域产生的最大杂散磁场降为3.69×10?4T,同时初步评估了馈线在一次放电后的绝热温升,为馈线是否需要冷却提供依据。最后在优化馈线位形参数后,对馈线的支撑和连接形式进行了初步的定性分析和讨论。     

HL-2M混合运行方案初步分析

采用OMFIT集成模拟平台,对在建的HL-2M的混合运行方案开展物理分析。在1MA等离子体电流和1.88T环向磁场条件下,利用电子回旋波和中性束注入等辅助加热和电流驱动方式来调制出混合运行所特有的芯部q≈1的平坦的安全因子剖面,其中欧姆电流和自举电流的份额分别为26%和42%,能量约束因子(H_98,y2)高达1.19。在混合运行的条件下,通过添加反向中性束注入,可以得到更高的比压值βN。此外,优化离轴的电子回旋波电流驱动和增加在轴中性束注入功率,可以进一步实现完全非感应混合运行。在该方案下,β_N可达3.47、H_98,y2为1.14和自举电流份额达51%。     

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HL-2M装置低杂波天线被设计为多栅阵列天线,天线由4行波导组成,每行32个子波导。子波导宽度为0.99cm,壁厚0.3cm,相邻子波导相差取90°。计算得到的反射系数R=0.0261,N||峰值中心为2.375。边缘等离子体电子密度梯度对波谱峰值中心位置没有影响,波峰相对宽度则随之增大而减小。在边缘等离子体电子密度梯度 的情况下,相邻子波导相差为81°时,天线方向性系数最好,为0.2010;反射最小,为0.0223,此时波谱峰值中心为2.125。     

HL-2M 装置真空室设计

HL-2M 真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构,内环直径 2m,外环径 5.22m, 高 3.02m,由 20 个扇形段组成而成。真空室上开设有 121 个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安 装等方面的要求;支撑采用滑动杆式结构;材料选用 Inconel625、Inconel718 与 316L 组合。运用有限元法对真空 室进行了结构强度评估,真空室满足设计要求。     

HL-2M装置放电管理平台研制

HL-2M装置放电管理平台的主要功能是为装置运行人员提供一个运行时序系、PLC逻辑保护系统和反馈控制系统的平台.在放电间歇,它在历史数据的基础上预置下一次放电的各种控制波形、配置各个技术子系统的运行模式和运行参数.其基于反射内存的通讯机制主要负责将控制参数和预设波形以有效的、可靠的方式传递到其它子系统中.与各相关子系统...     

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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.     

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在建的HL-2M装置的环向场线圈采用了比特板式结构,介绍了采用封闭多边形电流丝模型计算分析HL-2M装置环向场线圈电磁场和纹波情况;环向场线圈电流与环向场引起的电磁力以及与极向场产生的倾覆力也做了计算.计算结果对环向场线圈的设计具有一定的参考意义.     

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利用11/2-D平衡演化程序对EAST的首轮纯欧姆放电进行了数值模拟，获得的模拟结果与实验结果吻合得很好。同时，对放电全过程中的伏秒消耗进行了分析。     

Preliminary analysis of impurity transport in HL-2A ohmic discharges

This paper describes the behaviour of impurity transport in HL-2A ohmic discharges. In 2005, small quantities of metallic impurities （A1, Ni and Ti） were successfully injected into HL-2A plasmas by laser blow-off technique, and their progression was followed by the soft x-ray cameras with good spatial and temporal resolutions. The impurity confinement time is estimated from the characteristic decay time of the soft x-ray signal of the injected impurities, and it is about 30-60 ms. The transport coefficients of impurities （including diffusion coefficient and convection velocity） in radial different region have been derived by using a one-dimenslonal impurity transport code, the results present that diffusion coefficient is much smaller in the central region of plasmas than the outside of it, and it is much larger than that of neoclassical theory predictions; namely, it is anomalous.[第一段]     

HL-2M等离子体对共振磁扰动线圈电流相位响应的模拟

在HL-2M托卡马克平衡位形(Ip=1.0MA,βN=1.62,q95=4.01)下,使用环形单流体程序MARS-F研究了等离子体对共振磁扰动(RMP)线圈电流相位差的响应.在最优相位差时,扰动磁场显著地改变边界层磁场的拓扑,形成明显的磁岛链,增加了等离子体在边界层的输运,降低了压强梯度,减小了对ELM的驱动.模拟结果...     

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用SURFMN和SURFMN_TFCOIL代码计算了由HL-2M装置磁场线圈安装误差产生的误差场。根据国外托克马克装置TF和PF线圈安装误差的取值范围,以及HL-2A装置安装的经验,计算选取的TF线圈和PF线圈最大位移范围为3~8mm,最大倾斜角度为0.05~0.1°。选取9组数据计算了误差场的概率密度分布和累计概率分布。结果发现：在TF和PF线圈安装误差取值范围内,随磁场线圈最大移位增大概率密度显著变平,误差场B3-mode/BT的分布范围显著增大;磁场线圈的位移比倾斜对误差场的影响更大;当磁场线圈最大位移达到5mm时误差场大于2×10-4的概率都比较大,特别是线圈最大位移等于8mm时,误差场大于2×10-4的概率在60%以上。     

HL-2M装置磁场线圈安装的误差场计算

Error field caused by non-coaxiality among poloidal and toroidalfield coils on HL-2M tokamak is calculated with SURFMN and SURFMN_TFCOIL code. According to the coil installation error chosen by international tokamak and the installation experience of HL-2A tokamak, the maximum shift distance of poloidal- and toroidal-field coils on HL-2M tokamak is chosen 3~8mm, and the maximum tilt angle of that is 0.05~0.1 degree. The probability density and accumulative probability of error field are calculated with the maximum shift distance 3mm, 5mm and 8mm respectively, and the maximum tilt angle 0.05, 0.075 and 0.1 degree respectively. The results show that: (1) the probability density distribution become flat and the range of error field B_3-mode/B_T is enlarged significantly with the increase of maximum shift distance of field coils; (2) the shift of poloidal- and toroidal-field coils influences error field more heavily than tilt does; (3) when the shift of poloidal- and toroidal-field coils reaches 5mm, especially 8mm, the error field is more possibly reach 2×10^-4.     

HL-2M 主机抗扭转支撑结构计算分析

根据通电的环向场(TF)线圈在磁场作用下将产生侧向力和径向力,提出了抗扭转支撑结构方案。该方案能够降低这两种力对 TF 线圈的影响,并且保证线圈连接面的紧密接触和绝缘层不会发生相对错动。对抗扭转支撑结构进行计算分析,确定该结构的受力方式以及传力路径。结果表明,在实验运行以及极端工况下结构的应力、位移能够到达设计要求,通过疲劳计算得出抗扭转支撑结构能满足 20 年以上的实验运行,能够保证 HL-2M装置安全、平稳和可靠的运行。      

HL-2M 装置支撑结构工程设计

HL-2M 装置的支撑结构系统,该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构 和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了 HL-2M 装置支撑结构工程设计情况。      

HL-2M装置等离子体放电反馈控制系统

通过对HL-2M装置极向场线圈的参数和初始等离子放电控制需求的分析,基于实时采集系统和反射内存实时数据传输的先进控制集成技术,完成了整个HL-2M初始等离子体放电反馈控制系统的设计。新系统实现了稳定的1ms控制周期和实时数据传输,同时解决了实时控制周期和数据传输的延迟。实验结果表明新设计的等离子控制系统能满足初始等离子体极向场线圈电流控制的需求。     

HL-2M等离子体垂直不稳定性研究

用DⅢ-D的TokSys研究了HL-2M等离子体垂直不稳定性控制问题。使用真空室和主动线圈控制等离子体垂直不稳定性,分析了真空室的本征模和电流分布,极大简化真空室建模难度,建立了垂直不稳定性数学模型,验证了主动线圈和电源模型参数,计算了不同拉长比位形的等离子体增长率和最大可控垂直位移。利用TokSys建立了雪花、单零、双零偏滤器位形垂直不稳定仿真模型,然后通过simulink对采用PD算法的垂直不稳定系统进行仿真。结果表明,构建的模型能够较好控制不同位形的垂直不稳定性。