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等离子体平衡重建技术对磁约束聚变装置是一个重要的工作,无论对装置的参数设计、控制运行、物理研究以及实现EAST先进稳态高参数等离子体运行模式都重要意义,快速准确的实时等离子体平衡与剖面反演为等离子体实时控制提供必要的信息。 实时平衡重建提供托卡马克位形控制的基础信息,其精度对最终的位形控制质量有着重要影响,然而平衡重建算法是一个十分耗时的算法,特别是在要求精度较高的时候。在本文中,首先讨论了等离子体平衡及数值计算方法,然后描述了采用GPU并行计算架构,基于EFIT平衡重建算法,重新设计并行数值算法,用CUDA C语言开发了GPU并行平衡反演程序P-EFIT,可以在300μs的时间内完成一次65x65网格的磁测量反演迭代,满足实时位形控制的要求。 建立了基于反射内存高速网络的数据接口,实现了等离子体控制系统(plasma control system)与P-EFIT GPU服务器之前的实时数据通信。目前已经实现了在(65×65)网格精度下,ISO-FLUX/P-EFIT实时等离子体位形控制,并运用在EAST实验中。研究了基于偏振干涉仪诊断(POINT)的等离子体电流剖面重建算法,在P-EFIT程序中加入了加入了实时偏振干涉仪诊断约束模块,可以在EAST实验中提供实时等离子体电流剖面反演。 在高网格密度下(257×257)的离线平衡计算中,P-EFIT相对于EFIT可以达到100倍左右的加速比,在加入动斯塔克效应(Motional-Stark-Effects)以及动理论(kinetic)约束模块后,P-EFIT可以在相比EFIT少很多的时间内,完成动理论平衡重建,减少线下物理分析的耗时,并为将来动理动平衡重建进一步推广应用在等离子体实时控制中提供基础。目前,P-EFIT已经在运用在EAST等离子体实时控制系统中,并且推广到了DIII-D、MAST托克马克装置上。