基于等离子体非线性模型的全超导托卡马克控制优化的研究

The discharge simulation based on plasma non-linear model is an important means of tokamak control optimization. In superconducting tokamak, accurate expectation and reliable control of plasma behavior is essential to reduce the machine operation cost and risk. The RZIP rigid model is mainly used for the plasma start and ramp up research on EAST. Such rigid model can not describe the time evolved plasma response characteristics due to the neglect of plasma internal profile changes, energy transport and so on. Thus, in this project, a discharge simulation environment for superconducting tokamak based on plasma non-linear response model is going to be constructed. The close loop simulation with plasma control system will be taken under the operation constraints of superconducting tokamak to obtain optimized discharge scenarios with different plasma shapes and parameters. The between shots simulation service will be provided to guide the real tokamak discharge with the parallelization of the simulation code in the project. With the accomplishment of this project, an excellent and effective simulation research platform for EAST is established which will provide references for advanced tokamak operation and lay a good foundation for us to join in the ITER operation in future.

基于等离子体非线性模型的放电模拟是优化托卡马克控制的重要手段。在全超导托卡马克装置上，良好的等离子体行为预期、可靠准确的等离子体控制，可以有效降低装置运行成本和风险。目前EAST的RZIP刚性模型主要用于等离子体启动和爬升阶段的研究。由于刚性模型没有考虑等离子体内部剖面分布变化及能量输运等内容，因此无法真实描绘随时间演化的等离子体响应特性。本项目拟建立基于等离子体非线性响应模型的全超导托卡马克模拟环境，根据超导装置运行的约束条件，与控制系统进行模拟放电，获得多种位形下不同等离子体参数控制的最优方案，并实现模拟程序的并行化，提供实时炮间模拟服务，指导实际放电。本项目的完成，可使EAST拥有高水平、高效率的控制模拟研究平台，为开展先进托卡马克运行控制提供参考，为我国今后高效地参加ITER运行打下较好的基础。

在超导托卡马克装置上，良好的等离子体行为预期、可靠准确的等离子体控制，可以有效降低装置运行成本和风险，是实现先进托卡马克运行模式的前提。本项目针对EAST的全超导装置结构特性，开展基于等离子体非线性模型的托卡马克放电模拟研究，建立与EAST等离子体控制系统PCS（Plasma Control System）结合的非线性模拟器，研究各种放电模式的控制预期，指导实际放电。本项目利用基于非线性等离子体响应模型的模拟程序TSC （Tokamak Simulation Code）进行了大量的控制模拟工作，实现了EAST雪花偏滤器位形的设计及控制参数模拟，利用matlab simulink工具完成了PCS与TSC的控制模拟接口，建立了EAST极向场电源、快控电源模型及数据采集模型，实现了基于TSC的等离子体控制非线性模拟器，用于控制算法的测试及控制参数的优化。在2015年的EAST春季实验中，通过改进PCS中的等磁通控制算法，初步实现了等离子体准雪花偏滤器位形控制。通过本项目的研究工作，搭建了EAST基于等离子体非线性模型的控制模拟平台，为放电方案的设计和PCS新控制内容的开发提供了模拟验证工具，大大节约了实验机时，同时降低了对实验装置损害的风险。