等离子体所在等离子体平衡重构不确定度研究方面取得新进展

近日，等离子体所刘海庆研究员团队在托卡马克平衡重构不确定度研究中取得新进展。该团队通过深入分析自由边界平衡求解中的不确定度传播，评估平衡重构结果不确定度以及平衡输入参数对计算结果分布的影响。相关成果以“The uncertainty quantification of the free boundary G-S plasma equilibrium calculation on Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)”为题发表于核聚变领域核心期刊《Nuclear Fusion》。

等离子体平衡计算是托卡马克运行、物理分析的重要基础。等离子体约束、控制、稳态运行以及部分关键诊断系统数据处理都基于平衡的计算结果。其计算的各项参数的不确定度分布直接影响后续的物理、诊断数据处理以及实验分析。

在等离子体平衡不确定性量化评估过程中，平衡求解器的输入参数采用了EAST实验数据。这些输入参数及其分布随后通过基于多项式混沌展开与拉丁超立方采样方法的编码器、解码器和分析器构成的不确定性评估框架进行处理。通过该不确定性量化评估可获得平衡输出量的不确定度及输出参数分布与对应输入分布的敏感性分析。研究表明，要获得精确的平衡重构结果，输入参数（如磁探针、纵场）必须控制在3%误差范围内。如果能够提供精确的内/外中平面位置，可计算更为精确的平衡。等离子体芯部区域q剖面计算受到纵场和初始输入等离子体电流的影响较大，不确定度约为2.17%；而等离子体边界q剖面则依赖于X点和外中平面的精确数据，其不确定度约为4.32%。等离子体形状不确定度主要受外中平面、打击点和X点位置影响，其不确定度范围根据位置不同约为1%-10%。环向磁场不确定性量化评估显示，存在两个不确定度显著的区域：内侧中平面（31.09%）与外侧中平面（80.74%），而其他区域（无论等离子体内部或外部）的环向磁场计算最大不确定度均低于1%。等离子体压强分布，受环向电流和X点Z坐标的影响，且二者的影响呈现此消彼长的形式。零维参数不确定度（如极向比压、等离子体体积等）主要源于外中平面位置，而环向比压则主要取决于环向电流的精确度。磁轴垂直方向误差源自打击点和X点的R坐标。

通过分析等离子体平衡计算中的不确定度量级，可识别误差来源以支持后续诊断与物理分析，从而提升最终结果的准确性与鲁棒性。参数影响研究能为优化等离子体控制参数提供重要参考，助力搭建具有特定参数的等离子体放电实验平台。

本论文由刘海庆研究员协助指导的博士生袁舒智为论文的第一作者。该研究受到国家磁约束核聚变能发展研究专项、ITER专项、安徽省重大科技专项项目等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/ae1307 

图2 安全因子q的不确定度量化（1）及敏感性指数分布（2）

图3 磁轴压强不确定度分布（1）和敏感性指数分布（2）