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1了解聚变的基本原理和巨大优势

2了解聚变堆(托卡马克)装置的基本运行原理

3掌握聚变堆的操作方法,理解各系统间的相关关系

4掌握如何在虚拟实验堆上顺利产生聚变等离子体,维持反应

5掌握如何处理紧急情况

(1)实验原理(限1000字以内)

聚变堆(托卡马克)装置,采用巨大的超导线圈来约束等离子体,如下图:

线圈分为三种类型,分别为极向,环向,和中心环。首先通过在中心环中导入脉冲电流,初始化产生等离子体,然后通过外置的射电线圈对等离子体进行加温。在这个过程中,通过调节线圈的电流值来控制等离子体不会破裂。当等离子体加温到一定程度,进入中性束加热阶段,温度进一步提高。同时在恰当的时机和位置,不断提升线圈的磁场,加强约束并提高等离子体密度,最终达到罗森判据(核聚变产生的最基本要求)即,密度,约束,时间和密度的乘积大于最小三重积n·τE·T > R,从而产生核聚变放出能量。然后需要通过多种光谱诊断方法,监视等离子体的状态,并研究其中的物质和能量的流动方式,以及这些流动对于等离子体破裂,和温度骤降的影响,从而理解如何才能维持更长时间的聚变反应,使之正常进入实用阶段。

在聚变等离子体中,由于磁场梯度的存在,不同电荷粒子会分离。所以托卡马克必须采用扭曲环绕磁场来保持等离子体的完整性,而如何操作和控制也是本实验的一个重要仿真内容。而如何通过偏滤器排除内部反应后产物和高Z元素,也是一个重要的仿真内容。

知识点集群:共7个

1.等离子体初始化原理

2.等离子体射电加热方法

3.等离子体中性束加热方法

4.托卡马克扭曲磁场原理和方法

5.托卡马克磁场控制原理

6.托卡马克偏滤器原理和控制

7.托卡马克光谱诊断原理和方法

8.托卡马克安装的EUV谱仪的原理和结构

9.托卡马克安装的X射线谱仪的原理和结构

10.托卡马克安装的可见光谱仪的原理和结构

11.托卡马克主动探测技术

12.托卡马克主线圈设计要素

(2)核心要素仿真设计(对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述,限500字以内)

仿真场景将包括:(将类似下页图)

1聚变堆装置(托卡马克)核心腔体和线圈

2托卡马克冷却系统和其他主结构系统。

3中性束注入系统和偏滤器系统。

4托卡马克主要诊断系统(光子诊断)。

5建筑和主要辅助设备。

6主控实验大厅和数据处理中心。

仿真过程设计为:

A通过在主控实验大厅操作各系统的状态和参数,调节等离子体(通过视觉化可以看到,类似下页图中,中间淡紫色部分)约束,产生聚变。通过在大厅监控各个诊断设备的回读结果,了解聚变状态,改变参数实现最优结果。

B通过在各个系统间,无限制的穿行,可以视觉化看到各系统的工作方式和原理。这在真实世界中是不可能实现的。

C通过在数据处理中心,对各系统的数据进行深度处理,进一步研究聚变控制原理。

在实验中,学生通过几种方法接入到虚拟世界:VR眼镜,电脑网页端,手机端。

(在课堂上我们将优先采用VR方式,通过手部动作直接控制虚拟物体。)

进入虚拟世界后,学生首先在主控大厅中,在各个控制台上,通过交互操作,打开各类设备,调节各类参数。通过反馈数据和图标,不断调整实现一定的科学目标。比如最基本的 产生等离子体,产生聚变,或者更为复杂的产生高参数的聚变示例等。同时也会体会到错误操作带来的问题和危险。如果中途实验失败,还可以存档,并读取存档,从错误之前开始。

根据不同的学生和受众,将有不同的教学和实验任务。由于我们将采用真实的物理模型和数据,这些任务可以从最简单的演示,到具有研究性质的物理过程模拟。兼具教学和部分科研的功能。

实验中及实验后,系统将根据参与者的操作的合理性和结果的优越性进行分布打分(参观模式下,为自动引导操作),让参与者得到一个掌握程度的反馈。

实验中,我们将尝试引入眼动跟踪技术,来记录参与者操作时的注意力集中模式,和动作配合模式,从而研究如何更好的为真实托卡马克设计操作规范。

项目二期我们还将加入多人协作模式,不同的人通过虚拟世界的联网,在实验中分别控制不同的设备,协同完成一个实验。

(1)学生交互性操作步骤,共步

步骤序号

步骤目标要求

步骤合理用时

目标达成度赋分模型

步骤满分

成绩类型

1

开机

3分钟

安全,正确

5

■操作成绩

■实验报告


2

初始化束流

3分钟

正确出束

10

3

射电加热

5-10分钟

达到初级温度

10

4

中性束加热

5-10分钟

达到高级温度

10

5

偏滤器调节

5-10分钟

达到理想平衡

10


6

线圈细调

5-10分钟

达到理想约束

10

7

输运调整

5-10分钟

达到理想元素分布

10

8

光谱学诊断

10-20分钟

正确得到光谱

15

9

数据处理

30-60分钟

诊断系统状态

10

10

等离子体破损处理

5-10分钟

安全实现停束

5

11

关机流程

3分钟

安全关机

5







(2)交互性步骤详细说明

以下操作和交互流程为全流程介绍,对于不同的任务等级,将做不同的省略或者自动化运行。(以下每个交互步骤实际包含至少10次以上操作)。

1打开所有机柜电源,机器电源。注意顺序。调整好所有系统的初始值。

2通过操控多台设备,引入初始化等离子体,产生中心环线圈脉冲电流,产生最初始的等离子体。

3通过操作射电发生机柜的各个电源,向等离子体注入射电加热。

4通过操作中心束发生器,向等离子体注入中性束加热。

5通过调节偏滤器的各电源的参数,实现反应产物的平衡排除,以及热量的充分耗散

6通过调节各线圈参数,观察和理解束流的反应,从而调到最佳约束状态。

7通过调整各线圈和各电极,达到理想的离子和影响价态分布

8通过操作至少3台虚拟光谱仪,获得不同不断光谱随时间的变化。

9通过光谱进行等离子体状态诊断,并同步思考之前的操作,得出最优的调节模式,并进一步优化参数。

10等离子约束破损之后,通过及时处理各电极和线圈参数的突变,平稳实现安全停束流。

11将各设备恢复到安全参数,然后按顺序关机。

注:托卡马克的一次放电过程实际比较短,但为了方便学生理解和操作,在虚拟中时间维会被放大或暂停,从而使得一个学生即可完成所有的操作。而在多人模式下,则可以恢复正常速度,多人协作。

由于采用了真实的物理模型和参数,并通过蒙特卡洛方法进行模拟。

上述每个步骤的过程的每一个操作等会引起系统的变化。都有可能带来不同的结果,并且具有几乎无限的组合可能。所以我们允许一定程度的结果不同,但对于一个特定的任务,我们会设置一些指标,以完成指标作为实验成功的判据。

开发技术

VR £AR £MR £3D仿真   £二维动画

HTML5

£其他

开发工具

Unity3D £3D Studio Max  £Maya

£ZBrush £SketchUp £Adobe Flash

£Unreal Development Kit £Animate CC

£Blender Visual Studio

£其他


服务器

CPU 32核、内存256GB、磁盘1024GB

显存 6GBGPU型号RTX2060以上

操作系统

Windows £Linux £其他

具体版本:

数据库

Mysql £SQL Server £Oracle

£其他

备注说明(需要其他硬件设备或服务器数量多于1台时请说明)

Oculus VR眼镜,眼球捕捉系统

是否支持云渲染是  


相关实验
团队成员
杨洋|博士、副教授
负责人

电话:021-65643097

电邮:yangyang@fudan.edu.cn

地址:复旦大学现代物理研究所3-217

个人主页:https://imp.fudan.edu.cn/3b/62/c10030a80738/page.htm