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等离子体平衡重建是托卡马克等离子体放电实验研究的基本课题之一。优化的等离子体放电需要准确控制诸如等离子体位形等参量,在无法直接测量这些参量的情况下,利用外部测量数据重建等离子体平衡,间接提供优化控制参量。同时,物理诊断数据分析需要准确可靠的等离子体平衡重建结果作为参考。因此,进行EAST等离子体平衡重建可靠性与快速性研究意义重大。
本文首先研究等离子体击穿启动阶段无等离子体时的真空场形重建。在研究了EAST真空室二维电路模型及本征模模型的基础上,开发了基于本征模模型的真空场重建算法,有效重建击穿前真空场形演化,提供程序场放电调节。
研究分析了托卡马克等离子体平衡重建算法及实时平衡重建算法。通过模拟EAST典型放电获得的计算数据分析校核了电磁诊断数据的测量误差对等离子体平衡重建结果的影响,当测量误差不超过3%时,等离子体平衡重建的结果是可信的。
研究了EAST等离子体峰化电流分布情况下的等离子体平衡重建,发现此时电磁诊断数据的测量精度要求更高,要求的测量误差必须小于3%。同时发现,当等离子体电流模型系数选取不合适时,平衡重建结果将会严重失真。
针对EAST放电等离子体电流爬升阶段真空室感应较大涡流,在等离子体平衡重建中引入涡流反演模型,通过模拟放电数据校核证明模型的可靠性。实际放电重建结果表明,重建的等离子体平衡位形与视频吻合较好。但当测量误差较大时,反演得到的真空室截面涡流分布会出现负值跳变。
最后,针对等离子体放电炮间分析的需要,开发了基于离线平衡重建代码,采用消息传递函数MPI和MDSplus-Fortran接口函数的EAST等离子体平衡在线位形重建系统,实现了等离子体放电炮间快速位形重建并应用于EAST等离子体放电例行服务中。在此基础上,开展了等离子体平衡重建算法并行化研究,设计了基于消息传递的进程级粗粒度多任务并行程序,进行了相关并行算法研究,节省了运行时间,提高了运行速度。