Modern Physics 现代物理, 2012, 2, 7-14 http://dx.doi.org/10.12677/mp.2012.22002 Published Online May 2012 (http://www.hanspub.org/journal/mp) The MHD Real-Time Detecting and Suppression of in HT-7 Tokamak LHCD and IBW Experiment* Jianshan Mao, Jiarong Luo Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei Email: mjs@ipp.ac.cn Received: Mar. 2nd, 2 01 2; r ev is ed : M ar. 17th, 2012; accepted: Mar. 20th, 2012 Abstract: In the experiment of HT-7 superconducting tokamak, the instability of the Magn eto-Hydrodynamics (MHD) is an important factor influencing HT-7 long pulse discharge. It is more important for Large power Current drive of lower hybrid wave (LHW) and Ion Berstein Wave (IBW) on HT-7 superconducting tokamak. Usually, we can suppress MHD through the method to modulate LHW and IBW. The method of active feedback modulating LHW and IBW not only can suppress MHD real-timely, but also uninfluence the drive efficiency. Aim at DAQ2010 advanced data acquisi- tion card, this paper introduced the system of the real-time feedback measure for suppressing MHD on LHCD and IBW heating experiment of HT-7 superconducting tokamak. Keywords: Tokamak; Current Drive of Lower Hybrid Wave (LHCD); Ion Berstein Wave (IBW); MHD Real-Time Measure; FFT HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW加热实验中 MHD的 实时检测及抑制* 毛剑珊,罗家融 中国科学院,等离子体物理研究所,合肥 Email: mjs@ipp.ac.cn 收稿日期:2012 年3月2日;修回日期:2012 年3月17 日;录用日期:2012 年3月20 日 摘 要:在HT-7 超导托卡马克成功进行了大功率低混杂波电流驱动(LHCD)及离子伯恩斯坦波(IBW)加热实验。 在HT-7 超导托卡马克物理实验中,磁流体不稳定性(MHD)是一个重要的研究课题。对于大功率低混杂波电流驱 动条件下的高参数长脉冲等离子体,抑制和控制撕裂模不稳定性更为重要。HT-7 超导托卡马克实验研究中,成 功建成了快速主动反馈监测 MHD 系统。本文以凌华公司生产的 DAQ2010 高速采集卡为硬件对象,介绍了 HT-7 超导托卡马克 LHCD 和IBW 实验中 MHD 的实时检测反馈系统的研制。 关键词:托卡马克;低混杂波电流驱动(LHCD);离子伯恩斯坦波(IBW);MHD 实时检测;FFT 1. 引言 受控热核聚变作为解决未来能源问题的一个重 要发展方向,在世界范围内已经得到了广泛认同。经 过多年的努力,磁约束聚变研究取得重大进展。获得 稳态高参数聚变等离子体一直是聚变界追求的目标。 托卡马克中等离子体约束性能的改善及撕裂模稳定 性是世界聚变研究热点和前沿性课题之一。20 世纪 80 年代以来,低混杂波电流驱动实验在许多托卡马克 装置上取得了很大的进展[1,2]。低混杂波实验已定位于 探索托卡马克等离子体稳态运行时的电流驱动和电 *基金项目:国家自然科学基金资助课题:“主动实时抑制低阶撕 裂模不稳定性的实验研究”(10675126)。 Copyright © 2012 Hanspub 7 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 流剖面控制能力的方向上。而下一步优化等离子体的 可改进方面有更高功率和更长驱动时间、电流剖面反 馈控制技术的开发、更高效率的低混杂波电流驱动。 在Tore Supra[1] ,TRIAM-1M[2] ,FTU[3] ,JET[4] , JT-60U[5],HT-7[6-10]等装置上的实验表明,低混杂波电 流驱动已经是一个驱动托卡马克等离子体非感应电 流的最有效途径。 从实用聚变堆考虑,大破裂不仅是一般关系到堆 的安全运行,使聚变堆的可靠性、经济性大大降低, 而且很可能从根本上决定实用聚变堆的能否实现。特 别是对于大功率低混杂波电流驱动条件下的高参数 长脉冲等离子体,抑制和控制撕裂模不稳定性更为重 要。诱发大破裂的主要机制是低模数撕裂模不稳定性 的非线性增长。研究表明,与 MHD 不稳定性密切相 关的高极限是决定大尺寸托卡马克装置聚变参数的 关键[11]。目前对于高参数长脉冲聚变等离子体,抑制 和控制撕裂模不稳定性是重要研究课题。在 HT-7在 放电过程中,MHD 会引起等离子体电流的扰动,影 响等离子体的稳定性,严重的会直接导致等离子体的 大破裂。世界上许多托卡马克聚变装置已经提出不同 的方法来抑制和控制撕裂模不稳定性。目前抑制和控 制撕裂模不稳定性的主要方法是优化和控制电流分 布,如:FTU 托卡马克上的电子回旋共振加热法[3], JT-60U 托卡马克上用低杂波电流驱动,提供反磁剪切 位形来稳定 MHD[12,13],在 ASDEX-U 和COMPASS-D 上用电子回旋电流驱动来控制 MHD[4],D-III 上用 ECCD 加热磁岛中心,抑制MHD 等等。HT-7 托卡马 克在高参数、长脉冲运行中,抑制和控制 MHD 是急 待解决的问题[14-16]。 在自然科学基金(批准号 10275068)支持下,在 HT-7 托卡马克上建立了一套调制低杂波输出功率系 统,采用调制低杂波输出功率的方法来抑制 MHD, 改善约束,也取得了抑制 MHD 不稳定性,及避免等 离子体的大破裂的实验结果[16]。但是由于 MHD 的产 生具有随机性和不确定性,而且在实验结果分析和计 算中,发现调制低杂波输出功率(即,低杂波间歇性的 功率输出)虽然有抑制 MHD 的效果,但低杂波功率调 制也会降低的驱动电流的效率,这对HT-7长脉冲, 全波驱动实验是不利的。实验发现如果能做到实时监 控MHD,并主动实时反馈调制低杂波输出功率,有 MHD 出现时才调制低杂波输出功率,没有 MHD 时不 调制低杂波输出功率,低杂波系统正常运行。这样一 来既抑制了MHD,又不影响等离子体的性能,那就 有更大的实用性。最近美国D-III 托卡马克装置上花 巨资建立了一套主动反馈 PCS 系统,实时跟踪磁岛中 心,用 ECCD 实时加热磁岛中心,有效抑制了 MHD。 在HT-7托卡马克装置上,我们也研制成功一套 具有自主创新,有特色的 MHD 的实时检测和监控系 统。本文以凌华公司生产的 DAQ2010 高速采集卡为 硬件对象,重点介绍了 HT-7 超导托卡马克上的 MHD 实时检测和控制系统。并运用该系统,主动反馈调制低 杂波输出功率,在等离子体放电过程中实时检测 MHD 并实时发送控制脉冲给低杂波系统成功地实现 实时调制 LHW,既可以实时的抑制 MHD,又不致影 响低杂波驱动效率。实验证明,这种主动反馈调制 LHW 的方式,在 HT-7 实验中取得较好的抑制 MHD 实验效果[17]。 2. HT-7实验系统 托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受 控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形 (toroidal) 、真空室(kamera) 、磁(magnit) 、线圈 (kotushka)。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外 面缠绕着线圈。通电时托卡马克的内部会产生巨大的 螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度, 以达到核聚变的目的。受控热核聚变研究的重大突破 是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的 线圈上,建成超导托卡马克,使得磁约束位形的连续 稳态运行成为现实。超导托卡马克被公认为是探索、 解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效 的途径。HT-7 装置是 1994 年由前苏联的 T-7 装置通 过国际合作成功改建的一个中型限制器位形的超导 磁体托卡马克[7,8]这是一个可产生长脉冲高温等离子 体的中型聚变研究装置。它的研制成功,使我国成为 继俄、日、法之后第四个拥有该类装置的国家,从此 为中国的聚变事业全面走向国际舞台开拓了一条创 新之路。经过十多年来科研和工程技术人员的不断改 进,取得许多创新成果。它的主要目标,研究等离子 体在稳态、高参数、高约束条件下稳定性、输运、壁 的平衡等方面的物理问题,探索适合先进核聚变反应 Copyright © 2012 Hanspub 8 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 Copyright © 2012 Hanspub 9 堆的运行模式。该装置等离子体大半径为 1.22 m,圆 截面限制器位形,小半径为 0.27 m,它有两层厚铜壳, 在铜壳之间是组成纵向磁场的 24个超导线圈,磁感 应强度 Bt可达2.5 T。通常的运行参数如下:等离子 体电流 Ip = 100 – 250 KA,环向磁场的磁感应强度 Bt = 2 T。中心弦平均电子密度 Ne为(1 – 6) × 1019 m–3,中 心电子温度 Te = 0.5 – 3 Kev,中心离子温度 Ti = 0.2 到1.5 Kev。在放电过程中,等离子体电流、位置和中 心弦平均电子密度由反馈系统控制。一个不锈钢内衬 安装在真空室内半径为 0.32 m处[7]。图 1(a)给出的是 1994 年~2008 年,HT-7 长脉冲实验(最长放电时间(t = 400 s)的进展情况,表明 HT-7 装置在准稳态运行维持 放电研究中取得了很大的进步。2002 年之前,HT-7 具有一个高场侧的带状限制器和两个带不锈钢热沉 的极向水冷石墨限制器,后来,随着对等离子体与壁 相互作用理解的逐渐深入,装置的壁条件做了很多技 术改进。依据最外闭合磁面来调节天线的小半径截面 的位置可以优化天线的耦合效果。为了保护低混杂波 天线免受热平衡和非热平衡粒子的高热流损坏,2005 年的实验中分别在低混杂波天线馈口的电子侧和离 子侧安装了防护限制器。图 1(b)给出了 2008年HT-7 托卡马克实验中 400 秒长脉冲实验的典型放电波形, 其中等离子体电流 Ip = 50 KA、中心弦平均密度 ne = 1019 m–3 量级,低混杂波电流驱动功率为100 KW。在 HT-7低混杂波电流驱动放电过程中,等离子体电流 Ip 由中心欧姆加热场线圈反馈系统控制。图 1(c)给出了 HT-7大功率低混杂波电流驱动放电的典型波形,低混 杂波功率达到了 800 KW。图 2和图 3显示了 HT-7 托 卡马克低混杂波电流驱动下长脉冲放电实验,等离子 体的密度,电子温度的空间分布。 Figure 1. The typical HT-7 discharge 实验进展及放电波形。(a) 放电实验的进展,最长低混杂波电流驱动放电时间达到1. HT-7托卡马克长脉冲放电 400 s;(b) 低混杂波电流 驱动长脉冲放电的典型波形;(c) 大功率低混杂波电流驱动放电的典型波形 图 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 Figure 2. The comparing signal with electron density profiles for 图2. 电 HT-7 tokamak longpules discharges with Omic and LHCD HT-7托卡马克在欧姆放电和低混杂波电流驱动下长脉冲放 实验时,等离子体的电子密度空间分布的比较(HCN) Figure 3. The comparing signal with plasma electr on temperature p 图5可以明显看到在 HT-7 超导托卡马克,低混 杂波 流的 的MHD 的实时检测和监控系统。 特性分析 一种常见的磁流体 力学不稳定性,对于稳定的等离子体放电具有重要影 响。HT 10 KHz 3.2. 发的一款用于医疗 和过程控制方面的高速同步采集卡,采用 32 位PCI 总路 即发出控制脉 毫秒级的 理、发出控制脉冲的过程,而在实验过 程中又必 的频谱分析,在一个检测周 期里 rofile s for HT-7 tokam ak lonpules discharges with Omic and LHCD 图3. HT-7托卡马克在欧姆放电和低混杂波电流驱动下长脉冲放电 实验时,等离子体的电子温度的空间分布的比较 没有调制时,MHD 被激发。图 6给出了 HT-7 托 卡马克 LHCD 主动实时调制时,MHD被调制并受到 抑制。避免了由于 MHD 不稳定性的发展导致大破裂。 但实验证明低杂波功率调制也会降低的驱动电 效率。实验中显示,有调制低混杂波的放电时, 虽然调制的低混杂波能有效地抑制MHD,但LHCD 的输出功率明显受到影响。为此我们在 HT-7超导托 卡马克上提出并创新地研制了一套 MHD的实时检测 和控制系统。即有 MHD 出现时才及时,快速调制低 杂波功率。这是一套有相当难度的自主创新,有特色 3. MHD特性和 DAQ2010 采集 3.1. 影响放电的 MHD 特性 环形磁约束等离子体装置中 -7 大功率低混杂波电流驱动放电过程中,会激 发磁流体不稳定性(magneto-hydrodynamic MHD)(见 图4和图 5)。图4是软-X-射线辐射信号上观察到的 中间模图,通过数值模拟,我们可以清楚地看到这一 动力学演化的时间尺度。图 5是LHCD 放电时,观察 到重复出现 MHD 行为。 经过实验和计算发现,对放电造成较大影响的 MHD 有如下特性: A:振幅幅度:>1.0 V B:频率范围:2~ 2DAQ2010 采集特性分析 DAQ2010 是ADLINK 公司开 线结构,每块卡有 4个模拟数据采集通道。该采 集卡最高采样频率为 2 MHz,数据采样精度为 14 bit, “–5 V~+5 V”和“ –10 V~+10 V”量程可选,卡上提 供了 8K samples A/D FIFO,用户可选择 double buffer 和non double buffer两种采集方式;为控制需要,该 卡还提供了 2条D/A输出通道和 2K samples D/A FIFO;输入和输出均提供了 DMA 数据传输方式,为 MHD 的实时检测和控制提供了良好的硬件条件。 MHD 的实时检测的技术要求主要有以下两点: 实时性:当 MHD 出现时,检测程序必须能够立 冲来调制 LHW,通常响应时间应该是 。 采集的连续性:由于每一个检测周期都包括数据 采集、数据处 须保证采集的连续性,这就要求采集卡必须 是双缓冲的采集模式。 在MHD 实时检测系统中,我们设定一个检测周 期为 1 ms,为了进行必要 需要 1000 个采样点,这样,数据采集的采样率 就是 1 MHz,DAQ2010 最高采样频率为 2 MHz,可 Copyright © 2012 Hanspub 10 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 Figure 4. MHD i nstabilit y for HT-7 tokamak 图4. HT-7托卡马克上的MHD 不稳定性 Figure 6. MHD modulation and suppressed by LHCD Wave active real-time modulating 图6. LHCD主动实时调制时,MHD 被调制并受到抑制 buffer 采集方式, 连续进行。 . MHD实时检测和控制的实现 会顺序的完 数据处理和控制脉冲的发出,它是一个 每一次放电之前,程序都会从指 定文件读 以 后,比如说 取 控 保 的处理数据和发送控制脉冲。 以满足系统的要求。同时,采用 DAQ2010 中的 double 就可以保证采集的 4 4.1. 系统流程图 程序主要由一个线程组成,这个线程 成数据采集、 循环执行的过程。在 取最新的采集参数信息(包括采集时间、采样 频率等),然后对采集卡进行初始化,这部分工作主要 包括内存分配和采集卡参数配置;接下来,采集卡将 等待触发信号,一旦触发到来,开始数据采集。 采集时,我们采用双缓冲(double buffer)采集方 式,也就是说,在采集过程中,内存的缓冲区 Buffer1 和Buffer2 将轮流使用。当一个缓冲区数据采满了 Buffer1 满了,采集卡立刻将继续采集到 的数据往 Buffer2 存储,这时候,系统可以从 Buffer1 读 数据进行数据处理的操作,根据数据处理的结果 发送相应的制脉冲。当 Buffer2 采集满了以后,系 统又可以从 Buffer2 读取数据并进行数据处理,这时, Buffer1 又开始接受采集卡的采集数据了。采用了双缓 冲采集方式以后,可以在 证连续采集的同时,实时 Figure 5. m = 2 instability in HT-7 with lower hybrid current driven (LHCD) 图5. HT-7 LHCD放电观察到重复出现 MHD 行为;MHm = 2) 的增长导致大破裂 D( Copyright © 2012 Hanspub 11 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 由于 HT-7放电实验中的 MHD振幅和频率方面的 特性,我们也分别利用振幅和频谱对MHD 信号进行 检测。 图7显示的是 HT-7 托卡马克装置上 MHD 实时检 测系 4.2.1 行MHD 的幅度检测,需要在检测 上幅度检波电路。在这里我们采用使用 波电路,其基本 处理以后,得到的就是 振幅 l_Num:一个检测周期内,所有采样点的个 数。 。 AX_RATIO,则认为信号中出现 MHD,否 则, 了以后,处理程序开始统计 在这 io > MAX_RATIO,处 理程 4.2.2. MH D 里 时域信号转化为频域信 号, 统的流程图 4.2. MHD的实时检测算法 . MHD的振幅检测方法 为了更好的进 信号的前端加 广泛的二极管包络检波器作为幅度检 电路如下:信号经过幅度检波 信号。数据处理时,首先确定 MHD的相关检测 参数: Y:振幅阈值,这里取Y = 1.0 V。 Uper_Num:一个检测周期内,大于振幅阈值 Y 的采样点的个数。 Tota Ratio:一个检测周期内,大于振幅阈值 Y的采样 点的个数所占的比例 MAX_RATIO:预设的最大比例,当计算出来的 Ratio > M 认为信号中没有 MHD。 当一个缓冲区采集满 个检测周期中大于振幅阈值 Y的采样点的个数 Uper_Num,同时计算出大于振幅阈值 Y的采样点的 个数所占的比例 Ratio,当 Rat 序通过 IO 发出高电平的控制信号给低杂波系统, 否则,发送低电平的控制信号给低杂波系统。这样, 就完成了一个检测周期内的振幅实时检测。 的频率检测方法 需要检测的 MHD 信号是有一定的频率特征的, 它的频率范围一般在 2 K~1 0 KHz。在一个检测周期内 我们采集到的是时域信号,这时,程序通过快速傅 叶变换(FFT)算法,将采集的 然后计算其中的特征频率(2 K~10 KHz)在整个频 域中所占的比例,就可以判断是不是产生了 MHD, 同时向低杂波系统发出相应的控制脉冲信号。图 8显 示的是检测系统的波形与幅度,典型炮号中 MHD 否 是 Register 采集卡 读取设置参数 初始化采集卡 等待触发信号 开始采集 Buffer1 Buffer2 数据处理 数据处理 发出控制脉 发出控制脉 采集结束? Figure 7. MHD Real-time detect of flow chart 图7. MHD实时检测的流程框图 信号和实时检测脉冲信号的对比。检测系统的响应 间小于等于 1 ms,对于Tokamk MHD实时主动跟踪 检测。 实验结果分析 验中取得了预期的效果,图8显示的是 MHD 号的对比情况。MHD 信号实 统的建立,既快又准,重复性好。多次重复 实验 k),相 时 5. 利用振幅检测方法进行MHD 的实时检测和控 制,在实 信号和主动控制脉冲信 时检测系 表明,此系统的建立为 HT-7 大功率低混杂波电 流驱动条件下的高参数长脉冲等离子体,实时抑制和 控制撕裂模不稳定性提供了可靠保证。经过测试: 系统的响应时间小于等于 1 ms整个系统的稳定 性较好,基本满足 HT-7 实验的要求。 图9显示了 HT-7 托卡马克实验中,具有相同放电 条件(Ip = 120 kA,Ne(0) = 1.0,Bt = 3850 A,LHCD 210 邻两次放电(No.72355 和72356),有和没有 MHD Copyright © 2012 Hanspub 12 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 Copyright © 2012 Hanspub 13 MHD 信号 MHD 实时检测信号 Figure 8. The comparing signal of the real-time measure MHD, up one is MHD 图8. 典型炮号中 MHD 信号和实时检测脉冲信号的对比 Figure 9. The comparing signal with and without active modulation LHCD at HT-7 图9. HT-7具有相同放电条件相邻两次放电有和没有 MHD 主动时实时反馈控制信号的对比 HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制 实时反馈控制信号时 MHD 抑制效果的对比。72,356 次放电时,低杂波没有被实时调制时,MHD 没有被 抑制。72,355 次次放电时,低杂波由 MHD的实时反 馈信号被实时调制,MHD 被完全抑制。 6. 总结 实验表明,MHD 的实时检测和控制系统的响应 时间短,系统的响应时间小于等于 1 ms,整个系统的 稳定可靠,完全满足主动反馈调制低杂波的实验要 求。在 HT-7 托卡马克低杂波驱动长脉冲放电中成功 地运用了 MHD 的实时检测反馈和控制系统,实现了 在等离子体放电过程中实时检测 MHD,快速、准确 无误地实时发送控制脉冲给低杂波系统,成功地实现 实时调制低杂波输出功率。使得在HT-7 托卡马克上 抑制和控制撕裂模不稳定性的实验研究中,既可以实 时的抑制 MHD,又不致影响低杂波驱动效率。在自 然科学基金(批准号 10275068)支持下,独创性地在 HT-7 托卡马克上建立了一套实时调制低杂波输出功 率系统,采用调制 HD,改善约束,也取得了抑制MHD 不稳定性,及 裂 验结果实 las [2] S. Itoh, et al. Recent progress on high performance steady state plasmas in the superconducting tokamak TRIAM-1M. Nuclear Fusion, 1999, 39(9Y): 1257. [3] B. Angelini, et al. Overview of the FTU results. Nuclear Fusion, 2005, 45(10): S227. [4] J. Pamela, et al. Overview of JET results. Nuclear Fusion, 2003 43(12): 1540. [5] S. Ide, et al. Sustainment and modification of reversed magnetic shear by LHCD on JT-60U. 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