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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)。
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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
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HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制
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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
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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(
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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
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HT-7 托卡马克 LHCD 及IBW 加热实验中 MHD 的实时检测及抑制
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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
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M
避免等离子体的大破 的实验证明,这种主
动反馈调制 LHW的方式,取得了较好的抑制MHD
实验效果,在防止托卡马克等离子体大破裂方面有着
重要意义。
7. 致谢
感谢 HT-7 装置运行组和 LHCD 及IBW 课题。
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