Равновесие и вертикальная устойчивость плазмы вытянутого сечения в токамаке с полоидальным дивертором

Герасиио*СИ Ралнолесис илерггшка\ь>іа*устойчивость ПЯОІ'П* оытлн\-тско сменим а токаидус с по.юидаяъным 0и4*'ртор&и
СОДЕРЖАНИЕ стр.
Список основных обозначений.....................................................5
ВВЕДЕНИЕ........................................................................6
[ лава 1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА...............................................23
1.1 Гокамаки Т-9, Т-12 и ТВД................................................23
1.1.1 Параметры установок.................................................23
1.1.2 Обмотка тороидального поля..........................................23
1.1.3 Вакуумная камера....................;...............................25
1.1.3.1 Вакуумная камера Т-9............................................25
1.1.3.2 Вакуумная камера Т-12 и ТВД.....................................25
1.1.4 Пассивная система...................................................26
1.1.4.1 Кожух токамака Т-9..............................................26
1.1.4 2 Кожух токамака'Г-12.............................................27
1.1.4.3 Пассивная система токамака ТВД..................................28
1.1.5 Обмотки полоидальных полей..........................................29
1.1.6 Система энергопитания...............................................31
1.1.6.1 Система питания обмотки тороидального поля......................31
1.1.6.2 Система питания полоидальных полей..............................32
1.2 Токамак СОМРАБЭ-О.......................................................33
1.2.1 Параметры установки.................................................33
1.2.2 Обмотка тороидального поля..........................................34
1.2.3 Вакуумная камера....................................................34
1.2.4 Обмотки полоидальных полей..........................................35
1.2.5 Система энергопитания...............................................35
1.2.5.1 Система питания обмотки тороидального поля......................35
1.2.5.2 Система питания полоидальных полей..............................35
1.3 Системы управления положением плазмы на Т-12, ТВД и Сомрая.я-П..........36
Глава 2 ДИАГНОСТИКА...........................................................40
2.1 Диагностический комплекс установок Т-9, Т-12 и ТВД......................40
2.1.1 Состав диагностик...................................................40
2.1.2 Магнитная диагностика...............................................41
2.1.2.1 Датчики.........................................................41
2.1.2.2 Измерение смешения и эллиптичности границы плазмы...............42
2.1.3 Спектроскопия в видимой области.....................................45
2.1.4 Болометрические измерения...........................................45
2.1.5 Лснгмюровскис зонды.................................................46
2.1.6 Диагностика жесткого рентгеновского излучения.......................47
2.1.7 Интерферометрия.....................................................47
2.1.8 Система регистрации токамака ТВД ...................................48
2.2 Диагностический комплекс токамака СОМРАЗв-О.............................49
2.2.1 Состав диагностик СомРА55-0.........................................49
2.2.2 Датчики магнитной диагностики Сомраяя-О.............................51
2.2.3 Многоканальная диагностика мягкого рентгеновского излучения.........52
2
Герасимов СИ. Гаяисжесис и вертихыынхх ух:тойчи#с>смь Шкмы
вытянутого сечеми <г токамаке с палсидахъпым дивертором___________
Глава 3 РАВНОВЕСИЕ ВЫТЯНУТОЙ ПЛАЗМЫ...........................................53
3.1 Равновесие плазмы в токамаке. Основные соотношения......................53
3.2 Численное моделирование равновесий......................................56
3.3 Система полоидальных полей токамаков Т-9, Т-12 и ТВД....................59
3.4 Эксперименты на токамаке Т-9............................................62
3.5 Конфигурация полокдального дивертора на токамаке Т-12...................65
3.5.1 Моделирование конфигурации полоидального дивертора на 'Г-12.........65
3.5.2 Формирование диверторной конфигурации...............................65
3.5.3 SOL плазма..........................................................69
3.5.4 Плазма диверторного канала...........................................70
3.6 Вытянутая плазма в ТВД................................................. 71
3.6.1 Моделирование равновесия для ТВД....................................71
3.6.2 Автоматическое управление положением плазмы по г и z в ТВД..........73
3.6.3 Оптимизация Г1ИД регулятора при управлении по г на ТВД..............74
3.6.4 Эксперименты с вытянутой плазмой на ТВД..............................76
3.7 І Іолоидальньїй дивер тор и Н-мода на Compass-D.........................79
3.7.1 Система полоидальных полей токамака Compass-D.......................79
3.7.2 Вытянутая плазма в Compass-D........................................80
3.7.3 Однонулевой дивертор и омическая 11-мода на C0MPASS-D...............81
Выводы к Главе 3.............................................................84
Глава 4 УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ ПО ВЕРТИКАЛИ.......................................86
4.1 Простейшие модели неустойчивости плазмы по вертикали....................86
4.2 Неустойчивость по вертикали на токамаке Т-12............................88
4.2.1 Основные свойства и особенности VDE на токамаке Т-12................88
4.2.2 Область устойчивости плазмы по вертикали на Т-12....................90
4.2.3 Моделирование вертикальной устойчивости плазмы на Т-12..............91
4.3 Неустойчивость по вертикали на токамаке ТВД.............................94
4.3.1 Основные свойства и особенности VDE на токамаке ТВД.................94
4.3.2 Область управляемости на ТВД........................................95
4.3.3 Азимутальные разрывы в пассивной структуре и устойчивость по вертикали 96
4.4 Основные свойства и особенности VDE на токамаке COMPASS-D...............97
4.5 Стабилизирующие свойства дискретных пассивных проводников...............97
4.6 Модель твердого сдвига или модель двухмерной жидкости?..................99
Выводы к Главе 4............................................................100
Глава 5 НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СРЫВА ВЫТЯНУТОЙ ПЛАЗМЫ................................103
5.1 О неустойчивости срыва.................................................103
5.2 Неустойчивости срыва на токамаке ТВД...................................105
5.2.1 Основные свойства и особенности неустойчивости срыва на ТВД 105
5.2.2 Неустойчивости срыва и VDE на ТВД..................................106
5.3 МГД колебания и модуляция границы плазмы...............................107
5.4 Нсустой’швости срыва и неустойчивость по вертикали на Co.vipass-D 107
5.4.1 Малый срыв и устойчивость по вертикали.............................107
5.4.2 Неустойчивости срыва и VDE лимигерной плазмы.......................109
5.4.3 Особенности срыва в Н-моде.........................................110
5.5 ELMs на Compass-D.......................................................112
5.5.1 Что известно об ELMs?..............................................112
5.5.2 Основные свойства и особенности ELMs на CompaSS-D.................113
5.5.3 В поисках причин ELMs.............................................114
3
Герасимов С.И Равновесие? и бертикагънам устойчивость п&ОХчЫ
вытянутого сечения в токомаке с по.уоида)ь*ы м димртором
Выводы к Главе 5.............................................................115
Глава 6 РАВНОВЕСИЯ ПЛАЗМЫ ИТЭР.................................................117
6.1 Основные параметры, цели и задачи ИТЭР.................................117
6.1.1 Основные параметры ИТЭР.............................................117
6.1.2 Физический базис ИТЭР...............................................118
6.2 Специальные требования и входные данные для расчета равновесии плазмы ..121
6.2.1 Основные параметры полоидалькой системы ИТЭР........................121
6.2.2 Пассивная структура ИТЭР............................................122
6.2.3 Профиль первой стенки, лимитера и дивертора.........................123
6.2.4 Критические точки сценария..........................................123
6.2.5 Диапазон изменения параметров плазменных равновесий.................125
6.2.6 Требования к точности положения сепаратрисы.........................125
6.3 Базовые статические равновесия..........................................125
6.3.1 Особенности кода TEQ для расчета статических равновесии.............125
6.3.2 Вариация положения сепаратрисы в SOF, SOB и ЕОВ.....................127
6.3.3 Токи и магнитные поля в полоидальных катушках.......................128
6.3.4 Магнитный поток, доступный для горения..............................128
6.3.5 FDP и лимитер.......................................................131
6.4 Моделирование равновесий в поминальном сценарии.........................131
6.4.1 Моделирование номинального сценария, статическая модель............131
6.4.2 Инкремент неустойчивости плазмы по вертикали........................133
6.4.3 Моделирование номинального сценария, динамическая модель 134
6.5 База Данных Равновесий ИТЭР.............................................135
6.5.1 Назначение Ваты Данных Равновесий...................................135
6.5.2 Структура и организация Базы Данных Равновесий......................136
6.5.3 Объекты Базы Данных Равновесий......................................137
6.5.4 Кодировка имени файлов статических равновесий.......................139
Выводы к Главе 6.............................................................141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................144
Литература....................................................................148
РИСУНКИ.......................................................................159
4
Герасимов С. Н Равновесие и вертикальная устойчивость пчахмы
лытянутого сечения в токамаке с поэоидаэьным дивврторам______________________________
Список основных обозначений
R, у, z - цилиндрическая система координат
г, в, <р - тороидальная система координат; малый азимут 0 отсчитывается от
экваториальной плоскости, с внешней стороны тора, против часовой стрелки
Ro - большой радиус плазменного шнура
а - малый радиус, полуширина горизонтального размера плазмы
b - полуширина плазменного шнура по вертикали
bs - Vi расстояния между Х-точками
к - вытянутость границы плазмы
'УГ - полоидальный поток на границе плазмы
к'йз - вытянутость магнитной поверхности 0.95 Н'г
8и - верхняя трсутольность сечения плазмы
Sl - нижняя трсутольность сечения плазмы
6 - средняя треутолысость сечения плазмы
8/J9S - верхняя трсутольность магнитной поверхности 0.95 Ч'г
61.95 - нижняя треугольность магнитной поверхности 0.95 ¥V
Aj • расстояние между сепаратрисами на внешней стороне тора, при Z=Zu»,s
R„ Zx - координаты Х-точки
Rtpi< • координаты і- strike point
Лж-spi - расстояние от Х-точки до і- strike point
Ip - ток разряда
Rr - тороидальное поле
ВР - полоидальное поле
qa - коэффициент запаса устойчивости на границе плазмы
Я95 - коэффициент запаса устойчивости на магнитной поверхности 0.95 ¥>
£. - внутренняя индуктивность единицы длины плазменного шнура
lv - индуктивность плазмы
Vtxt - внешний полоидальный поток усредненный по сечению плазмы с весом}9
Д - отношение давления плазмы к давлению магнитного поля
Д., - полоидальная бета
Ду =<Д.Ч%)я(т)В7<Т)//р(.МА). бета нормированная
у - инкремент неустойчивости плазмы по вертикали
5
ГеросюїОб С. И Равновесие и вертикальная устойчивость п\аз.\/ы
вытянутого сечения в токамоне с по.гиидмьным днегрторо.и
Введение
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время магнитные ловушки типа токамак являются наиболее реальными претендентами на роль термоядерного реактора. В рамках международного сотрудничества выполнена глубокая проработка концепции реактора по проекту ИТЭР (Международного термоядерного экспериментального реактора) [I).
За 40 лет исследований, токамаки прошли долгий путь развития от простейших лабораторных приборов [2] до предреакторного масштаба машин. Обший обзор основных идей и установившихся представлений в физике плазмы токамаков можно найти в книгах [3],(4),[5],[6].
В 1972 году Л.А.Арцимовичем и В.Д.Шафрановым была сформулирована концепция развития токамаков в направлении плазмы вытянутого сечения и полоидального днвертора |7). Эта идея оказалась крайне плодотворной и фактически определила стратегическое направление развития магнитной конфигурации токамаков на весь последующий период, вплоть до создания проекта реактора. (Уместно отметить, что далеко не всегда блестящие мысли, высказанные на бумаге, получали экспериментальное подтверждение. В качестве такого отрицательного примера можно привести работы по дублетной конфигурации [8].)
Плазма, меридиональное сечение которой вытяну™ вдоль главной оси тора, обладает целым рядом достоинств. Переход к вытянутому сечению позволил улучшить удержание энергии и увеличить относительное давление плазмы, а нолоидальный дивертор предоставил возможность активно контролировать потоки примесей. Простейшие оценки, сделанные для "реактора", со всей определенностью показали необходимость и целесообразность вытянутого сечения плазмы (9]. Эксперименты также преподнесли приятный сюрприз в виде обнаруженной Н-моды (режима с улучшенным удержанием) в конфигурации полоидального днвертора при дополнительном нагреве плазмы [10].
Однако ничто не дается бесплатно: растягивающее плазменный шнур магнитное иоле, необходимое для создания вытянутого сечения, является причиной неустойчивости плазмы относительно вертикального сдвига - явления крайне опасного для токамаков реакторного масштаба.
6
Герасимов С И. Равновесие и вертикальная устойчивость тспиы Введение
вытянутого ссчсиия в токаиаке с полоиОалгмыи дивертором ___________________________________________
Экспериментальные работы по исследованию плазмы вытянутого сечения первоначально развивались по двум направлениям. По инициативе Л.Л. Арцимовича в начале семидесятых годов в ИАЭ им. И.В.Курчатова был построен токомак Т-9. Работами по проектированию, сооружению установки Псрстсньковыи токамак 'Г-9 и экспериментальными исследованиями руководил Н.Н.Бревнов [11], [12]. В
Лаборатории General Atomic начались исследования дублетной конфигурации на установке Doublet-II [13].
Параллельно с экспериментами стали бурно развиваться численные методы моделирования равновесия плазмы с произвольной формой сечения [14]. Кол, разработанный Захаровым Л.Е. [15], использовался для расчета полоидалыюй системы и моделирования симметричных равновесий в Т-9 и днверторной конфигурации в Т-12. Необходимость анализа вертикальной устойчивости вытянутой плазмы также потребовала развития соответствующих кодов [16].
С 1974 г. по 1998 г. автором выполнен цикл исследований, изложенных в данной работе, по вопросам равновесия, вертикальной устойчивости, особенностям неустойчивости срыва плазмы вытянутого сечения, в том числе и плазмы с полоидальным дивертором. Экспериментальные исследования были выполнены на токамаках Т-9, Т-12, ТВД и COMPASS-D. Численное моделирование равновесия и устойчивости плазмы по вертикали играло важную роль при проектировании установок, постановке экспериме1гтов и интерпретации экспериментальных результатов. Значительная часть этих расчетов была выполнена при непосредственном участии или лично автором. Финальным этапом выполненной работы явилась реализация развитых и апробированных методов создания устойчивых вытянутых плазменных конфигураций с полоидальным дивертором при проектировании экспериментального реактора ИТЭР.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе приводится описание основных элементов токамаков Т-9, Т-12, ТВД и COMPASS-D, на которых автором проводились исследования. Автор принимал непосредственное участие в разработке и сооружении установок Т-12 и ТВД, а также в модернизации Compass-D*. Токамаки Т-9 [II], Т-12 [17] и ТВД [18] образуют одно семейство и каждая последующая установка являлась модернизацией предыдущей.
’ Г/115 wort was jointly funded by the UK Department of Industry and EURATOM
7
Герасичоа С. И. Равновесие и вертикальная устойчивость пюхчы
вытянутого сечено/ в тохачохе с по^оиОа1ь.чым дивертором
Введение
Токамак Сомрабя-П является модернизированной версией СОМРАБЗ-С [19], сооружен в Капэмской Лаборатории (Великобритания) в 1992 году и предназначался для исследований вытянутой плазмы с полоидальным дивертором
Для установок с вытянутым сечением плазмы, необходимым элементом является система автоматического управления положением плазмы по вертикали. Для токамаков Т-12 и ТВД были разработаны быстродействующие системы управления на базе тиристорных преобразователей (20].[21].
Успехи эксперимента в значительной степени зависят от оснащения установки диагностическими средствами и средствами сбора и обработки данных, описанию которых посвящена вторзя глава. Для задач исследования равновесия и устойчивости плазмы первоочередную роль играет магнитная диагностика. Измерение распределения магнитного поля на контуре, окружающем плазму, с последующим решением обратной задачи позволяло восстановить форму плазмы. Особенности конструкции токамаков Т-12 и ТВД допускали расположение магнитных зондов и петель на подвижных вводах, что давало возможность получать надежные и уникальные данные, а использование комбинированной (аналоговой и цифровой) системы сбора информации - высокое временное разрешение [22]. Измерения интенсивности свечения линий примесей и водорода, данные с Лснгмюровских зондов, хордовые измерения плотности и мягкого рентгеновского излучения пополняли экспериментальную базу данных.
Третья глава содержит изложение экспериментов по формированию вытянутой плазмы, двух- и однонулсвой диверторной конфигурации и результатов моделирования равновесия для Т-12, ТВД н СОМРАББ-О.
Вопросы равновесия играют ключевую роль в токамаке с плазмой вытянутого сечения и полоидальным дивертором. Для расчета симметричных равновесий для токамаков Т-9 и Т-12 использовался код, разработанный Л.Е. Захаровым, основанный на решении уравнения равновесия, записанного в интегральной форме [15]. Расчеты равновесия в ТВД и однонулевой конфигурации в Т-12 выполнялись с использованием более гибкого кода Попова Л.М., Сычугова Д.Ю [23]. Для моделирования равновесия в Сомрабб-П автор использовал код ТОРЕОЬ [24], разработанный в Калэмской Лаборатории. Кол позволял рассчитывать как симметричные так и асимметричные конфиг урации, в том числе и с одним полоидальным дивертором.
Практически важны три параметра, определяющие форму сечения плазмы: эллиптичность - к, трсугольность - «5 и величина расщепления сепаратрисы - ду/.
8
1'ераси.чов С.Н Равновесие и вертикальна* устойчивость пкпиы Введение
аытякучпого сечения е токомаке с полоидыьны.и диегрморои______________________________
Первые два параметра - геометрические. Третий параметр выражается через величину полоидального магнитного потока между сепаратрисами и отличен от нуля для магнитной конфигурации однонулсвого дивертора. Степень расщепления сепаратрисы удобно также выражать через расстояние между сепаратрисами на внешней (или внутренней) стороне тора, при 2=2^и> параметр Д,.
Для формирования плазменною шнура вытянутого сечения необходимы, во-первых. изменяющийся (нарастающий или убывающий) во времени магнитный поток, который обеспечивает возбуждение, подъем и поддержание тока разряда, во-вторых, вертикальное (“дипольное") магнитное поле для удержания плазменного шнура по большому радиусу и, в-третьих, растягивающее ("квадрупольное”) магнитное поле для формирования вытянутого сечения. Для равновесия олнонулсвой диверторной конфигурации иУили для создания плазмы с ненулевой трсутольностью необходимо также полоидальное магнитное поле, содержащее более высокие гармоники.
Внешнее полоидальное поле можно создавать как токами в обмотках полоидального поля, так и использовать проводящий (металлический) кожух, в котором индуцируется ток. На токамакс Т-9 кожух играл определяющую роль в формировании вытянутого сечения плазмы. В Т-12 поле от внешних обмоток вместе с кожухом обеспечивали создание диверторной конфигурации. И, наконец, в ТВД и Сомразб-В. полоидальное иоле от внешних витков играло определяющую роль в создании плазменною равновесия.
На токамаках Т-9, Т-12, ТВД и Со.МРа$5-0 использовался метол
функциональною разделения полоилальнмх обмоток. Каждый независимый источник питания подключался х соответствующей комбинации катушек полоидального поля, создающих в основном магнитный ноток или магнитное поле определенной структуры (дипольное, квадрупольное и т.д.).
Главной задачей исследований на токамакс Т-9 являлась экспериментальная проверка существования вытянутых плазменных равновесий. Эксперименты на установке Т-9, во-первых, продемонстрировали возможность создания плазмы вытянутого сечения [25]. Во-вторых, показали, что предел по винтовым неустойчивостям не ухудшается при увеличении выгянугости, или. другими словами, предельный ток плазмы /„ - (1+к2)/2 [26]. Эти, по сегодняшним меркам, скромные эксперименты сделали первый шаг в экспериментальном развитии направления токамаков с плазмой вытянутого сечения. Итоги исследований плазмы в
9
Герасимаr C.H. Pawo9€CU€ и всртіпсатьмах устойчивость таииы вытянутые с чи сн их л яюкачаке с по\о:>даіьгіьі\{ диъсртором
В^сдсыие
“Персгсньковом токамаке Т-9" были подведены в докторской диссертации
Н.Н.Бревнова [27].
Более поздние эксперименты на токамаке TNT-А подтвердили существование устойчивых плазменных равновесий при эллиптичности плазмы іс**1.5 и низких значениях qa = 2.0 [28J, [29].
Параллельно с исследованиями на Перстсньковом токамаке Т-9 проводились исследования дублетной конфигурации в Лаборатории Genera) Atomic. В работах [13]. [30] сообщалось о создании дублетной конфигурации на установке Doublct-U. Вытянутая конфигурация плазмы на установке Doublet-П. так же как на Т-9, создавалась с помощью медною кожуха специальной формы. В следующей модификации установки Doublet-II, Doublet-IIA, сплошной медный кожух был заменен системой из 24 пассивных проводников [30]. На установке Doublct-ПА была получена плазма эллиптического сечения с к «1.5 и дублетная конфигурация к =2.9 [31]. Следующая установка DIII фактически поставила точку в дублетной программе. Дублетная конфигурация оказалась неустойчивой: дублет разрывался на два изолированных плазменных шнура [32],[33].
Программа физических исследований в токамаке ТВД была нацелена на исследование плазмы с вытянутым сечением при формировании равновесия только полем от внешних токов. Введем параметр, характеризующий удаленность полондальных токов от поверхности плазмы, как отношение среднею расстояния центров полондальных токов от центра плазмы к среднему малому радиусу плазмы:
Д, = <р,>/<рр>.
Для ТВД А/> “ 3.0, столь удаленная от плазмы полоидальная система является крайне неблагоприятной с точки зрения как статического, так и динамического контроля формы плазмы, одиако является реальной для условий реактора. Например, для рассматриваемых вариантов ИТЭР параметр Д^, находится в пределах Д,, = 2.0-!-3.0. Следует отметить, что успехи токамаков D1II-D [34] и TVC [35] по управлению и контролю формы плазмы были достигнуты в условиях крайне близкого, Ду,<1.5, расположения полондальных токов к поверхносги плазмы.
В поддержку экспериментов на ТВД было выполнено подробное численное моделирование равновесий плазмы с целью определения возможных, по эллиптичности и треугольное™, плазменных конфигураций и выяснения параметрических зависимостей [36], [37].
10
Герасимов С. И. Равновесие и аертикалъная устойчивость гиахмы
вытянутого семеним я токамаке с палоидагы/ым дивертораи
Введение
На токамакс ТВД, в условиях сильно удаленных полоидальных токов от плазмы, продемонстрирована возможность создания и управления плазменным равновесием с эллиптичностью к £ 1.9. Предельная вытянугость была ограничена неустойчивостью по вертикали. Естественно, развитие срыва по вертикали (VDE) зависит от конкретной пассивной структуры и системы управления положением плазмы по вертикали [37].
В экспериментах на токамакс ТВД для управления положением плазмы по горизонтали и вертикали применялись быстродействующие системы с тиристорным мостовым инвертором напряжения в качестве преобразователя [38]. [21]. Качество работы автоматической системы управления, мри прочих заданных условиях, существенно зависит от правильности выбора закона управления, который задается регулятором. В качестве базового регулятора был выбран ГЩ (пропорционально-дифференциальный) - регулятор с постоянными в течение разряда параметрами. При оптимальном выборе коэффициентов ПД-регулятора двухконтурная система автоматического управления положением плазмы ТВД удерживала смещение по горизонтали и вертикали в пределах ± 2 mm огносктельно заданного положения (2.5 % и 1.25 % r единицах соответствующей полуоси эллиптического сечения плазмы) [39].
Важнейшими параметрами для реактора являются время удержания энергии в плазме (Те) и отношение газокннстичсского давления плазмы к давлению магнитного поля ф). Исследования, выполненные во многих лабораториях мира, доказали улучшение т£ и Р с увеличением вытянугости плазмы. На малых токамаках Т-8 [40], [41] и TOSCA [42] наблюдался рост времени удержания энергии с увеличением вытянугости плазмы. В болес поздних экспериментах на крупных токамаках DIII/DIII-D [43].[44].[45].[46].[47] к JET [48] с дополнительным нагревом плазмы однозначно установлено увеличение тg и р с ростом эллиптичности плазменного шнура. Время удержания энергии для ELMy Н-моды (ELM - мода, локализованная на краю), определенное по данным с 12 токомаков (Alcator C-Mod, ASDEX. ASDEX-U, Compass-D, DIII-D, JET. JFT-2M. JT-60U. PBX-M. PDX. TCV. TEXTOR), зависит от эллиптичности сечения, как тк~ v08S[49]. Предел подавлению, связанный с развитием баллонной неустойчивости (неоклассических тирннг мод), линейно возрастает с величиной плазменною тока (1Р) [50], который, в свою очередь, растет с вьггянутостью сечения плазмы (лг), то есть Д. - 1+кЛ
11
Герасимове И Равновесие и вертикальная устойчивость пзтиы
«нтпиутоео сечения в токамаке с прядидамтым Ривертором
йвеоеиие
Улучшение глобальных параметров плазмы является не единственным достоинством вытянутых плазменных конфигураций. Обязательным элементом тохамака реактора является дивертор. На дивертор возлагаются важные функции: удаление продуктов горения (а-частии) и защита первой стенки реактора от ионного распыления.
Впервые дивертор (тороидальный) был предложен в работе (51) и реализовал на стеллар.тгорс С (521- Позже аналогичный тип днвертора исследовался на токамаке ТО-1 [53]. Локальный тороидальный дивертор применялся на токамаке ОГГА (54). Осесимметричный полоидальный дивертор, расположенный на внутренней стороне тора, в области высокою тороидального поля, был реализован на токамаке ЭГУА (55). Идея совместить плазму практически круглого сечения и полоидальный дивертор еще долгое время преследовала создателей токамаков. Установка Л-60 (56) была рассчитана для работы с плазмой круглого сечения и полоидальным днвертором, расположенным на внешней стороне тора. Токамаки РЭХ (57) и АБИЕХ (58) использовали четыре или два полоидальных днвертора, которые пристраивались сверху и снизу к практически круглой плазме. Сочетание круглой плазмы и нолондального днвертора требовало размещения специальных диверторных катушек полоидального поля в непосредственной близости от плазмы. Перечисленные выше ливерторные конфигурации оказались работоспособными, но неперспективными с точки зрения современной компоновки токамака-реактора.
Как отмечалось в работе (7), вытянутое сечение плазмы естественно сочетается с магнитной конфигурацией полоидального дивертора. На токамаке Т-12 были выполнены первые эксперименты с вытянутой плазмой в двухнулевой и однонулсвон диверториой конфигурации (59). Предложены и впервые экспериментально проверены методы создания вытянутой плазмы с полоидальным днвертором. Эксперименты на Т-12 доказали, что конфигурация вытянутой плазмы с полоидальным днвертором обеспечивает перенос заряженных частиц в дивертор, уменьшает взаимодействие между плазмой и "первой" стенкой и экранирует основную плазму от примесей, поступающих со стенки. Результаты исследований магнитной конфигурации вытянутой плазмы с полоидальным днвертором на токамаке Т-12 были представлены в кандидатской диссертации автора (60), (61).
Формирование диверториой конфигурации на токамаке Т-12 осуществлялось по следующему сценарию (62). Пробой газа обычно происходил в экваториальной
12
Гсрасиїлоа СН Равновесие и вертикальная устойчивость мшиы
вытянутою сечения в тохочаке с паюийауьмн.и диасртороч
Введение
плоскости, на внешней стороне тора Гам же, в главном горизонтальном патрубке находился подвижный лимитер. В результате образовывалась ли.митерная плазма практически круглого сечения. Нарастающее во времени вертикальное поле отодвигало плазму от лимитера, при этом увеличивался малый радиус плазмы. Одновременно включалось растягивающее поле. В результате увеличения во времени относительной величины растягивающих токов сспаратрисныс точки приближались к граничной поверхности плазмы.
Далее следовал выход сепаратрисы на поверхность плазмы - образовывалась “первая диверторная плазма” (ГОР английская аббревиатура). “Первая ливерторкая плазма“ еще не обеспечивает перенос ионов в дивертор, а только выводит сепаратрису на активную диафрагму. Необходимо создать днверторный слон, отделяющий сспаратрисную поверхность от диафрагмы. Необходимая ширина диверторного слоя (SOL) определяется относительным переносом заряженных частиц в дивертор и ка стенку. Поэтому после FDP растягивающее иоле продолжало нарастать вплоть до образования полноценного SOL. это состояние называется "сформированный дивертор” (XPF - английская аббревиатура). Обычно это состояние достигалось несколько раньше или одновременно с выходом тока плазмы на квазмсгационарным уровень (условное название этого состояния - SOF). Абсолютно такая же идеология выхода R днверторный режим была применена на COMPASS-D (631 и в проекте ИТЭР[64].
Начиная с момента времени, соответствующего состоянию FDP, в диверторных каналах появляется плазма с заметной плотностью, уменьшается поток заряженных частиц на стенку. Потерн энергии из плазмы с излучением и нейтралами вблизи материальной диафрагмы уменьшаются до величины характерной для противоположного меридионального сечения, то есть образуется магнитная диафрагма [59]. [65].
Очевидно, что частным случаем однонулевой конфигурации является двухнулевая магнитная конфигурация, в которой расщепление сепаратрисы равно нулю. Практически любое изменение параметров двухнулевой магнитной конфигурации должно приводить к образованию однонулевого дивертора. Например, применение системы обратной связи для стабилизации положения плазмы по вертикали, даже при номинальной лвухкулсвой конфигурации, должно приводить к образованию однонулсвого ливертора. Этот эффект должен зависеть от величины
13
Герасимы С И Равновесие и вертикальная устойчивость плахиы
вытянутого сечения * токаиаке с полоидачы/ым диеерторои
Введение
расщепления сепаратрисы (т.с. свойств магнитной конфигурации) и от ширины дивергорного слоя (т.с. переноса пристеночной - SOL плазмы в днвертор). Практическое значение имеет вопрос: возможно ли обеспечить надежную работу как двух, так и только одного дивер юра? В экспериментах на Т-12 впервые было продемонстрировано функционирование двух- и однонулсвой днверторных конфигураций и определены условия их существования [66], (67]. Контроль расщепления сепаратрисы, особенно при малом значении этой величины, должен быть существенным элементом при управлении магнитной конфигурацией дивертора [67].
Болес поздние эксперименты на средних и крупных токамаках (Compa$S-D (63J. ASDEX-U (681. Alcator С-Mod (69), JET (70].(71J, JT-60U (72), DIIl-P (34)) показали высокую эффективность магнитной конфигурации вытянутой плазмы с полоидальным дивертором.
В частности, режим Н-моды впервые был получен на токамакс ASDEX в конфигурации одноыулевого дивертора (при дополнительном магреве плазмы) (10J. Впоследствии режим улучшенного удержания был воспроизведен на многих установках в конфигурации полоидального дивертора как однонулевой, так и двухнулевой: JET (70], DI1I-D (73]. На некоторых установках Н-режим наблюдался и в лимитерных разрядах (JFT-2M (74]. TJ-TR (75]). Однако следует отметить, что диверторная конфигурация позволяет контролировать условия на границе плазмы и существенно упрошает переход в Н-моду.
Токамак COMP.\ss-D, практически повторивший идеологию полоидальной системы токамаков Т-12 и ТВД, обладал большими экспериментальными возможностями (19].
Непосредственно после сооружения Compass-D, двухнулевая магнитная конфигурация проектируемого ИТЭР была пересмотрена в сторону однонулевого дивертора. В связи с этим необходимо было рассчитать однонулевую диверторную конфигурацию, которую можно было бы реализовать с минимальной модификацией полоидальной системы в COMPASS-D. Автором была рассчитана полоидапьная система C-OMPASS-D. которая позволила реализовать однонулевую диверторную конфигурацию с заданной величиной зазора между сепаратрисой и диафрагмами.
В конфигурации однонулевого дивертора с эллиптичностью плазмы 1.6 (при направлении дрейфа ионов из-за градиента магнитного поля в сторону активной X-точкн и в сочетании с итерированием стенок) был реализован режим омической
14
Герасима* С.Н. Рапиолссис и вертикальная устойчивость пяахмы Введение
&ытЯнута*о сечения а токомаке с паюг/длхьиым диаерторои_______________________________
11-моды [63], [76]. Режим омической Н-моды в дейтериевой плазме получен на Сомраи-О в широкой области параметров: 130кА</я< 200 кА. 0 84 Т < Вт < 2.0 Т,
2.8 < цм < 4.5, 2.5 1019 пт'3 5 л, 5 15 Ю19 т'3. Отличительной особенностью Ь -> Н
перехода в омическом режиме па Сомь^-О является плавное появление признаков II - моды при непрерывном увеличении плотности плазмы во времени [77].
Вертикальной устойчивости вытянутой плазмы посвящена четвертая глава. Плазменный шнур в растягивающем внешнем поле является неустойчивым по отношению к идеальной моде вертикального смещения с инкрементом порядка обратного альфеновского времени по полоидальному полю. Существенным элементом, определяющим инкремент развития вертикальной неустойчивости, является проводящая пассивная структура, которая окружает плазму. На малом токамаке ТОБСА было показано, что в отсутствии пассивной структуры плазма устойчива по горизонтали и вертикали в узком диапазоне эллиптичностей 0.95 < к <1.05 [78]. Пассивная структура является обязательным элементом для стабилизации неустойчивости по вертикали, так как она позволяет уменьшить инкремент неустойчивости до масштабов, при которых возможно успешно применять автоматические системы управления положением плазмы.
На токамаке Т-12 в конфигурации вытянутой плазмы с полоидальным дивертором впервые экспериментально наблюдалась неустойчивость плазмы по вертикали, приводящая к обрыву тока разряда (УОЕ - английская аббревиатура) [79]. На Т-12 были измерены инкременты неустойчивости, определены основные параметры, определяющие границу устойчивости, определена область устойчивости плазмы [67]. Минимальную величину инкремента неустойчивости (для Т-12 у - 5-105 я"1), приводящую к обрыву тока разряда, можно условно принять как инкремент неустойчивости для рассматриваемого объекта (плазма -пассивная структура - актизная система упразления по зертикали). Данная величина инкремента неустойчивости существенно превосходила обратное время затухания индуцированных токов в кожухе, но не превышала обратного скннового времени низкотемпературной плазмы днверторного слоя.
На токамаке ТЫТ-А, так же, как и на Т-12, найдена резкая граница возникновения неустойчивости по вертикали при уменьшении показателя спала удерживающего поля [80].
15
Герасимов С.Н. Равновесие и вертикальная устойчивость пганыы
вы/плнутоео сечения в тохачаке с пояоидауьным Ривертором
Введение
В первых же экспериментах на JET наблюдалась неустойчивость по вертикали [81]. Неустойчивость но вертикали обусловлена дестабилизирующей силой как со стороны квадруполыюго поля, так и со стороны железного сердечника. Во время срыва по вертикали на камеру воздействовали силы величиной до 200 t. На токамаке DIII-D построена модель, позволяющая рассчитать силы, действующие на камеру во время срыва по вертикали (82]. Согласно экспериментам на DIII-D, во время VDE возникает ток. текущий по граничному слою плазмы вдоль силовых линий и замыкающийся через камеру. При этом вертикальные силы, действующие на камеру, обусловлены в основном полоидальнымн токами в камере.
На токамаке Т-12 в диверторной конфигурации показано, что граница возникновения срыва по вертикали может быть описана двумя параметрами: расстоянием между сепаратрисными точками и положением плазмы относительно экваториальной плоскости. Плазма срывалась по вертикали, если расстояние между сепаратрисными точками уменьшалось до некоторой предельной величины. Эта предельная величина, в свою очередь, возрастала для плазмы, смещенной относительно экватора, то есть для однонулсвон конфигурации. Оба эффекта, уменьшение расстояния между сепаратрисными точками и сдвиг плазмы относительно экваториальной плоскости, приводят к увеличению зазора между сепаратрисой и пассивной структурой (кожухом) (67]. Таким образом, вертикальная устойчивость диверторной плазмы зависит от взаимного расположения границы плазмы (сепаратрисы) и пассивной структуры.
Па установке Т-12 для стабилизации положения плазмы по вертикали успешно применялась система обратной связи [20]. Комбинация пассивной структуры, окружающей плазму, и активной системы обратной связи позволили, в принципе, решить проблему устойчивости вытянутой плазмы с полоидальным дивертором. Однако в общем случае для вертикальной устойчивости плазмы недостаточно контролировать только положение плазмы по вертикали. Не менее важно также не допустить неконтролируемого увеличения зазора между сепаратрисой и пассивной структурой, особенно на внешней стороне тора [62].
Полученные экспериментальные данные в дальнейшем были использованы для тестирования двухмерной гидродинамической модели неустойчивости плазмы (83]. Показано хорошее совпадение результатов численного МГД-модслировакия, в котором движение плазмы описывалось двухмерными уравнениями несжимаемой жидкости, с
16
Гер а сии оо С Н. Роачовесн* и вертикальная устойчивость магмы Введение
вытянутого сечения в токамаке с пояоидачъмым дшертором______________________________
экспериментом. *гто говорит об обоснованности использования данной математической модели в дальнейших расчетах.
Детальное исследование неустойчивости по вертикали было также выполнено на установке ЕкэиЫег III [84]. Найдено, что инкремент неустойчивости по вертикали зависит в основном от показателя спала удерживающего поля, рассчитанного на магнитной оси. В тоже время, так же как было найдено на Т-12. ]ра.чица возникновения вертикальной неустойчивости зависит от величины зазора между плазмой и пассивной структурой.
На токамаке ТВД проведено исследование вертикальной устойчивости лимитерной плазмы в диапазоне эллиптичностей к-“ 1.2 ■* 1.6, характерных для ИТЭР на стадии подъема тока до образования диверторной плазмы. Согласно экспериментам, выполненным на токамаке ТВД, неустойчивость по вертикали развивается в две сталии. Сталия I - быстрый экспоненциальный (г = г»ет1) выброс плазмы по вертикали. Сталия II - нелинейная стадия \Т)Е: плазма продолжает двигаться по вертикали по закону г = но взаимодействие плазмы с первой стенкой и изменение формы
плазмы приводят к уменьшению инкремента во времени. Аналогичные эксперименты на токамаке Акаюг С-Мо<1 также показали, что смещение плазмы по вертикали во время УОЕ хорошо описывается экспоненциальным законом (69].
Устойчивость плазмы относительно вертикальных смещений определяется свойствами сложного объекта: плазма - пассивная структура - активная
система управления по вертикали. Область управляемости плазмы по вертикали (или подавления \ФЕ) целесообразно рассматривать на плоскости параметров: инкремент вертикальной неустойчивости - амплитуда квадрупольной гармоники удерживающего поля (или показатель спада удерживающего поля).
Как показано на токамаке ТВД, верхняя граница области управляемости (или максимальная величина инкремента неустойчивости, которую можно подавить) зависит от качества системы управления В то время как правая граница определяется формой плазмы (в первую очередь эллиптичностью) и свойствами пассивной структуры (проводимостью, положением в меридиональной плоскости, количеством и величиной разрывов в тороидальном направлении и т.д.) (36), [37].
На установке ТВД было выполнено экспериментальное исследование влияния азимутальных разрывов в пассивной структуре на вертикальную устойчивость плазмы.
17
/ е рас им он С. И. Равновесие и «ертмкахъчах устойчивость тахчы
вытянутого сменим в токамаке с по.:оидачъкы.м Ривертором
Введение
А пали чи ро вались лас пассивные структуры: с четырьмя и с двумя разрывахш разрывами по большому азимуту Ширина каждого разрыва - 1.6° Показано, что идеальная МГД іраница практически нечувствительна к количеству разрывов. В то время как величина инкремента неустойчивости во всем наблюдаемом диапазоне уменьшилась в два раза при уменьшении количества разрывов также в два раза [361, [37].
Проведено численное исследование вертикальной устойчивости лвухнулсвой диверторной плазмы (к * 1.8. £»0), окруженной, ограниченным числом дискретных стабилизирующих проводников [85]. Показано, во-первых, что существует несколько решений пассивной структуры, дающих практически одинаковый эффект. Во-вторых, наиболее эффективная область для пассивной структуры находится в двух секторах с полохдальными углами 0 «±(35+55)° и 0 «± (115+135)° [85].
Проведено сравнение результатов вычисления инкремента неустойчивости по вертикали на основе модели "твердого сдвига” и двумерной плазменной модели идеально проводящей жидкости на примере двухнулевой диверторной конфигурации с вытянугостью плазмы х-- 1.8. Показано существенное отличие положения идеальной МГД-границы неустойчивости, вычисленной по двум моделям [85].
Как было также показано на 1)111-13, модель твердого сдвига даст неправильный результат, особенно при к>2.0 При больших эллиптичностях существенную роль начинает играть мода т/п = 3/0 [86]. [87]. На токамаке РОХ было проведено сравнение измеренного инкремента неустойчивости по вертикали и рассчитанного по модели твердого сдвига. Отмечено, что модель твердого сдвига даег заниженное значение инкремента даже при умеренных эллиптичностях плазмы (к« 1.4) [57].
Срыв тока в токамаке, опаснейшее явление для реактора, сопровождается нежелательным выделением тепла на локальных участках (тепловой удар) и большими механическими нагрузками. Неустойчивость срыва, присущая самой природе токамачной плазмы, приобретает новые черты для вытянутой плазмы. Этому вопросу посвящена пятая глава диссертации.
На токамаке ТВД было выполнено исследование особенностей неустойчивости срыва вытянутой лимнтерной плазмы (к- 1.2+ 1.7) [88]. Этот случай соответствует плазме И'ГЭР на стадии подъема тока перед РОР. Обнаружено, что неустойчивость срыва вытянутой плазмы может сопровождаться значительным увеличением
18
Геросимов С Н Равновесие и вертикальная устойчивость птиы Введение
вытянутого сечения в токаиаке с паюидатъмым дивертаро»_______________________________
вытянугости плазменного шнура На ТВД наблюдались разряды, в которых эллиптичность плазмы увеличивалась во время неустойчивости срыва с к-» 1.7 до к» 2.0. Соответственно возрастал вертикальный размер плазмы до 20% от исходной величины. Во время срыва происходит уплощение профиля тока, при этом величина падения внутренней индуктивности плазмы может достигать »0.15.
Спад тока вытянутой плазмы после неустойчивости срыва проходит две стадии. На первой стадии спад тока происходит так же, как и для “круглой” плазмы. Относительная длительность этой стадии зависит от эллиптичное™ плазмы перед срывом. Затем наступает вторая стадия спада тока - VDE Фактически неустойчивость срыва (для вытянутой плазмы) дестабилизирует плазменный шнур по вертикали и приводит к VDE. Аналогичные наблюдения были сделаны на токамаках ASDEX-U [68] и JET [48].
В экспериментах на COMpass D были проанализированы тонкие эффекты в плазме, приводящие к возникновению VDE [63]. Показано, что в качестве спускового механизма VDE может выступать целый спектр относительно безвредных, на первый взгляд, неустойчивостей, таких как малый срыв и ELM Первопричиной дестабилизации плазмы по вертикали через малый срыв, при постоянном запасе устойчивости на фанкце плазмы, могут быть:
- запертая мода, возникающая в результате рассеянных магнитных полей;
- интенсивный поток нейтрального газа на фаницу плазмы;
высокая средняя плотность плазмы, близкая к предельной плотности.
Для круглой плазмы последовательность МГД неустойчивостей на малом срыве может благополучно закончиться. В случае вытянутой плазмы, в результате изменения профиля тока, возникающего во время малого срыва, происходит дестабилизация плазмы по вертикали. Произойдет VDE или возникшее смещение но вертикали будет отработано системой обратпой связи (СОС) определяется свойствами объекта плазма-пассивная структура-система управления по вертикали. VDE и большой срыв - два явления выступающих в паре в случае вытянутой плазмы. Данная последовательность событий, при которой за неустойчивостью срыва следует срыв по вертикали, сейчас является общепризнанной и учитывается в проекте ИТЭР [89].
В режиме улучшенного удержания (II - мода), который рассмафивастся как базовый для стадии горения ИТЭР, обязательно присутствуют ELMs. На токомаке
19
1'ерасимов С.Н. Равновесие и яертикаюыая устойчивость пиниы
вытянутого сечения а токаиакс с паюидольным дибсртор&н
Введение
COMPASS-D экспериментально похазано, что интенсивные одиночные ELMs, могут дестабилизировать плазму но вертикали и даже вызвать VDE. Б экспериментах на JET. при высокой эллиптичности плазмы к= 1.9, также наблюдались срывы плазмы по вертикали, вызванные гигантскими ELM. которые происходили в конце “ELM-free” зоны [90). [91].
На основании полученных на токамакс CompaSS-D экспериментальных данных, выделена последовательность явлений, вызывающих VDF. и оканчивающихся срывом. В квазистационарных условиях существует, по меньшей мере, две причины способные вызвать VDE. Эго малый срыв и ELM. Однако, если малый срыв - явление нежелательное, и его необходимо избегать, то ситуация с ELMs противоположная. ELMs выполняют определенную положительную роль: они препятствуют накоплению примесей. Стационарные условия в Н-моде, по-видимому, могут быть достигнуты только в разряде с ELMs [92].
Понятием ELMs объединены две группы явлений, имеющие некоторые похожие признаки, но различающиеся масштабом изменений, происходящих в плазме и имеющие разную природу. Различают ELMs типа I и типа III (иногда выделяют как отдельный тип - ELMs типа II). Резистивные МГД неустойчивости ответственны за ELMs типа III. Градиент давления для плазмы с ELMs типа Ш заметно ниже предела для идеальных баллонных мод. Современное объяснение природы ELMs типа I основано на нелинейном взаимодействии идеальных баллонных МГД мод [93].
На CompaSS-D наблюдались регулярные высокочастотные МГД-холсбания (/■ - 90 -*-130 кНг), которые представляли собой баллонную моду с высоким т - 10 12.
Амплитуда этих колебаний непосредственно перед ELM несколько возрастала (-1.5 раза), возможно превышая пороговое значение и вызывая ELM [76].
На CompaSS-D неустойчивость по вертикали в омической Н-модс, наиболее вероятно, вызывали ELMs типа III. Режимы с ELMs типа I отличаются от режимов с ELMs типа III болсс высоким временем удержания энергии. По-видимому, режим с ELMs типа I можно рассматривать как основной режим работы реактора. С другой стороны, ELMs типа I заметно возмущают макроскопические параметры плазмы, ответственные за равновесие и устойчивость по вертикали, поэтому роль ELMs, как возможной причины неустойчивости по вертикали в условиях реактора еще более усиливается.
20
Гсрасимов СН. Равновесие и вертикальная устойчивость пкпмы
вытянутого сечения я тлкамаке с поюидыъным дияерюоро'*
Введение
Изложенные выше результаты относятся к исследованиям, выполненным на токамаках малых и средних размеров. Конечной целью исследований в области термоядерного синтеза является создание реактора.
Шестая глава отражает вклад автора в проект ИТЭР. В качестве основной конфигурации плазмы ИТЭР была выбрана однонулевая диверторная конфигурация с вьггянутостью плазмы к«о 1.75 и средней трсугольностью <!)« 0.35.
Сценарий создания конфигурации полоидального дивертора в номинальном разряде с током плазмы 21 МА начинается с формирования лимитерной плазмы круглого сечения с последующим увеличением малого радиуса, эллиптичности и треугольное™ плазмы. Диверторная конфигурация образуется на фазе подъема тока разряда при токе разряда - 15 МА.
После тщательного анализа различных вариантов определена полоидальная система ИТЭР, состоящая из центрального соленоида и девяти полоидальных катушек [64]. [94]. Выбранная полоидальная система, с учетом технических ограничений, обеспечивает удержание сепаратрисы в заданных пределах. Максимальные отклонения положения сепаратрисы от номинального для фазы нагрева и горения (SOF, SOB и
ПОВ), при изменении параметров 0.7 £ Л 5 1.1 и 0.1 й Д, 5 1.2: в днвсрторс не более ± 67 mm, около ICR антенны не более ± 43 mm.
Выполнен анализ вертикальной устойчивости плазмы. Наибольший инкремент вертикальной неустойчивости имеет диверторная плазмы с низким у = 1.5 s'1. На фазе горения инкремент уменьшается ло у = 10 s'*.
Одним из важнейших парамегров. характеризующих систему плазма - полоидальные катушки, является магнитный поток для горения, в конечном счете, определяющий длительность импульса горения. Полоидальная система, при номинальном I, = 0.9, обеспечивает магнитный поток для горения ДЧ'сшгч = 83 Wb. При этом ожидаемая длительность фазы горения превышает 1000 s.
Огромное значение при выполнении крупномасштабных проектов, таких ках ИТЭР, имеет доступ участников проекта к проверенной информации. Автором создана электронная База Данных Равновесий ИТЭР. Разработаны стандарты на объекты Базы Данных и создана структура Базы Данных, отвечающая требованиям проекта. Основное назначение Базы Данных Равновесий ИТЭР - сделать информацию о равновесии плазмы в удобной электронной форме доступной всем участникам проекта.
21
Герасимов С. Н. Равновесие и вертикальная ух^пойчивость may мы
выпгянутаго сменим н токомаке с палоидаяьиы.и диверторам
Введение
В Базе Данных хранится информация, полученная с помощью ходов Corsica/TEQ\ EQUCIR/TOSCA и TSC. Коды используют входную информацию, которая также в определенном стандарте храниться в Базе Данных.
База Данных Равновесий ИТЭР, содержащая информацию о плазме и параметрах полоидальной системы, непосредственно использовалась при разработке и проектировании целого ряда систем ИТЭР: полоидальной системы, системы питания полоидальных катушек, первой стенки, инвертора и лимитера, диагностическою комплекса, и других систем. Информация, содержащаяся в Базе Данных Равновесий ИТЭР, используется (как входные данные) динамическими кодами, для анализа системы управления формой плазмы, расчета нагрузок на лимитер, переноса в SOL, расчета баллонной устойчивости и друтих целей.
База Данных Равновесий ИТЭР содержит информацию о форме магнитных поверхностей плазмы. Эти данные непосредственно считываются трехмерным чертежным пакетом CATIA и наносятся на двухмерные электронные чертежи. При создании ИТЭР впервые в мировой практике токамакостросния достигнута полная интеграция моделирования плазменною равновесия и проектных работ: решения уравнения Греда-Шафранова непосредственно проецируются на электронные кульманы конструкторских бюро ИТЭР.
В Заключении приводятся основные результаты выполненной диссертационной работы.
Таким образом, концепция плазмы вытянутого сечения в токамаке с полоидальным дивертором, за более чем чегвергь века своего развития, многосторонне проверена, полностью подтвердилась и принята как базовая конфигурация будущего токамака реактора.
Work performed by Lawrence Livermore Notional Laboratory* under USDOE Contract No. W-7405-ENG-J8
22
Геросичов СИ. Равновесие и вертикальная устойчивость птахи ы
вьтюъ'того сечения в токам axe с пмоидыьчы.ч дивер/т/оро.м
Г тона I. Экспври. ментальная
__________________________база
Глава 1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА
1.1 Токамаки Т-9, Т-12 и ТВД
1.1.1 Параметры установок
Токамаки Т-9 [11]. Т-12 117] и ТВД (18] образуют одно семейство и каждая последующая установка являлась модернизацией предыдущей. В установках использовался один и тот же тороидальный соленоид, воздушный индуктор и некоторые обмотки полондального поля. Все три модификации имели различную конструкцию кожуха, а установки Т-12 и ТВД имели отличную от Т-9 конструкцию вакуумной камеры. По сравнению с токамаками Т-9 и Т-12 в установке ТВД была существенно модернизирована система катушек полондального поля.
Основные параметры тохамаков Т-9, Т-12 и ТВД следующие: большой радиус тора, R0 360 пип
малый радиус по диафрагме
в экваториальной плоскости, ai 80 mm
эллиптичность по диафрагме (Т-12), kf 2.0
эллиптичность по диафрагме (Т-9, ТВД), к, 3.5 -*■ 4.0 тороидальное поле, Вт 1.5 Т
Общий вид установок Т-9. Т-12 и ТВД показан на Рис. 1.1, Рис. 1.2 и Рис. 1.3, соответственно.
1.1.2 Обмотка тороидального поля
Конструктивно тороидальная обмотка стабилизирующего поля была выполнена в виде двадцати отдельных, равномерно расположенных секций [111- Конструкция секции обмотки, состоящая из катушки и каркаса, показана на Рис. 1.4. Катушка состоит из 8 витков полой медной шины сечением 12x15 пип' с отверстием внутри
23
Геросимов С. Н Равновесие и вертикальная устойчивость плагин Г;ала І Экстрииентатьная
вытянутого сечения в /покачане с пояоиОачьныи дмертора»__________________________(юза
6x9 шт2 Сечение шины по меди - 126 тт.'. Намотка катушки двухрядная, по четыре витка в каждом ряду. Витковая и корпусная изоляция выполнена стеклослюдиннтовой лентой. Изолированная катушка уложена в дюралюминиевый каркас, выполненный из двух элементов, имеющих коробчатое сечение. Для устранения короткозамкнутого витка по корпусу тороидальной катушки, обе половины каркаса имели разрезы, а специальная форма изолированного вкладыша из немагнитной стали, установленного в разрезе, обеспечивала необходимую прочность и диэлектрический разъем.
Катушка и вкладыш залиты в каркасе эпоксидным компаундом. Изоляция катушек обеспечивала рабочее напряжение до 1000 V. Отвод тепла, выделяющегося в момент импульса тока, осуществлялся проточной дистиллированной водой, поступающей во внутреннюю полость шины. Катушки тороидального поля соединены между собой последовательно медной шиной 4x40 тш'. Для компенсации рассеянных полей от ошиновки предусмотрены обратные тороидальные витки Для обеспечения необходимой механической прочности все двадцать секций тороидальной обмотки жестко крепятся на четырех несущих и двух опорных силовых кольцах.
Механическая прочность отдельных секций рассчитана на усилия, создаваемые магнитным полем. Действие сил показано на Рис. 1.5. Действие разности сил (ЛрЛ») воспринимает наружный каркас индуктора, выполненный из стсклотскстолитовой трубы. Под действием сил Р’ и Л обмотка испытывает разрушающие усилия и изгибающие моменты, которые воспринимаются каркасом катушки, а сила Л дополнительно воспринимается опорными кольцами.
Электротехнические параметры тороидального соленоида приведены в Таблице 1.1.
Таблица 1.1. Электротехнические параметры тороидального соленоида.
Индуктивность, Омическое сопротивление, £2 Максимальный ток, кЛ Максимальное магнитное поле, Т
5.0-10'3 5.0-10‘2 17.0 1.5
Конструкция обмотки была выбрана после анализа гофрировки тороидального ноля. Максимальная гофрировка магнитного поля
&Т = фяшя “ ЛшяУ( Вплт + Авг„).
24
Гсраси\(оа С И Гмнояесие и яертикалънаяустойчивость платы
яы>пвн\того сечения в тохаивх? с по.лоидяклк» диеерторуч
Глава 1. Экспериментальная
________________________база
для выбранных геометрии катушек тороидального ноля и полного числа галет N=20, не превышает 2% (на внешней стороне плазменного шнура при г = 0).
1.1.3 Вакуумная камера
1.1.3.1 Вакуумная камера Т-9
Вакуумная хамера установки Т-9 представляла собой тор, который имел прямоугольное поперечное сечение (Рис. 1.6) 1111,| 121. Внутри камеры помешен кожух, установленный на кронштейнах с изоляторами. Внутри кожуха расположена диафрагма из нержавеющей стали шириной 12.5 тт. С внешней стороны тора в экваториальной плоскости находилась подвижная диафрагма.
Вакуумная камера выполнена из двух полуторов, изготовленных из немагнитной нержавеющей стали толщиной 5шш (Рис. 1.7). Обе половины камеры соединены между собой через резиновый уплотнитель. Уплотнители обеспечивали как герметизацию камеры, так и диэлектрические разрывы при обходе по большому азимуту тора.
1.1.3.2 Вакуумная камера Т-12 и ТВД
Вакуумная камера представляла собой тор переменного сечения, собранный из четырех секций: двух больших и лвух малых (Рис. 1.2, Рис. 1.8).
Малая секция в меридиональном сечении представляла собой прямоугольник с внутренними размерами 200x680 пип*. В каждой секции сделано по одному вертикальному диагностическому окну 70x590 пип н по два горизонтальных трапецеидальных окна: сверху и снизу шириной 35 тпш в среднем сечении.
Большая секция имела трапецеидальное сечение, угол наклона боковых граней составлял 13е, максимальные размеры большой секции такие же, как и малой секции. В каждом меридиональном сечении большой секции, в промежутках между галетами тороидального поля, располагалось одно вертикальное диагностическое окно размером 70x220 шт*( два косых окна размером 60x125 тга2 и два горизонтальных окна
25
Герасимов С.Н. Равновесие и вертикальная устойчивость паахны Глава I. Экспериментальная
вытянутого сечения в токомаке с паюидазьным дивертором____________________________база
размером 25x80 шш2 или диаметром 41.5 шт. Стыковка секций камеры
осуществлялась через резиновые уплотнители, обеспечивающие также диэлектрические разрывы вдоль большого азимута тора.
Вакуумная камера изготовлена из немагнитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 5 тт. Суммарное количество диагностических и откачных окон - 76.
Внутри больших секций камеры приварены угольники, являющиеся силовыми поясами камеры и служащие для подвески неподвижных секций медного кожуха.
1.1.4 Пассивная система
1.1.4.1 Кожух токамака Т-9
Для создания вытянутого равновесия, в принципе, можно использовать “толстый” кожух. Однако по истечении скинового времени
Т&, = (ССБЕ), или
= (1.1)
где - средний малый радиус кожуха, </, - его толщина и ол проводимость, равновесие будет эволюционировать, а именно: плазменный шнур будет скругляться и смещаться по большому радиусу. Поэтому для поддержания равновесия в течение длительного времени (/ £ хю) требуется удерживающее поле, создаваемое токами во внешних проводниках. В последнем случае кожух (“тонкий” кожух) необходим для выполнения своей второй функции: обеспечения МГД-устойчивости плазмы, в первую очередь, устойчивости по вертикали.
Кожух установки Т-9 имел Э-образное поперечное сечение (Рис. 1.6) [11].[12]. Тороидальная поверхность кожуха была образована из двух геометрических фигур: тора эллиптического сечения (полуоси эллипса 455 шш и 398 шш) и цилиндра (радиус внутренней стенки кожуха 280 тш). Высота кожуха 21г = 600 тт. максимальный размер в радиальном направлении 2/,= 165 шт, толщина стенки кожуха </, = 6тт; материал - медь. При данных параметрах скиновос время для эволюции формы плазмы при комнатной температуре Ху,» 20 гш.
26
Гератмов С Н Равновесие и вертикальная устойчивости ютиы
вытянутого сечения о мокачаке с по.юидаэьным дивсоторам
Глава I Экспериментальная öaia
Кожух имел два полондалькых (вертикальных) разреза ширимой 15 mm, а также диагностические окна. Для того чтобы обеспечить проникновение тороидального магнитного поля внутрь кожуха, на внутренней стенке каждой половины кожуха в экваториальной плоскости вставлено полукольцо из нержавеющей стали толщиной, равной толщине кожуха.
1.1.4.2 Кожух токамак» Т-12
Основная задача токамака Т-12 заключалась в исследовании вытянутой плазмы с полоидальным дивертором. Исходя из этой задачи, и с учетом результатов экспериментов на Т-9, в токамакс Т-12 был установлен кожух специальной формы. В установке Г-9 равновесие вытянутой плазмы, в основном, определялось D-образным кожухом с большой эллиптичностью к,*= 4. Однако, как показали эксперименты, вытянутость плазмы, ограниченной диафрагмой, на квазнстационарной сталии разряда была существенно меньше: «с=1.9 ч- 2.1 [25]. В Т-12 предполагалось кожух приблизить по форме к границе плазмы, по сравнению с кожухом Т-9. При сохранении эллиптичности плазмы высвобождались области сверху и снизу плазмы, необходимые для диверторных объемов. Окончательно форма кожуха Т-12 была выбрана на основании численного моделирования магнитной конфигурации полоидалыюго дивергора гак, чтобы внутренняя поверхность кожуха совпадала с одной из магнитных поверхностей, расположенной в диверторном слое [95].
Медный кожух токамака Т-12 выполнен в виде отдельных секций (Рис. 1.2, Рис. 1.9). В экваториальной плоскости внешняя секция кожуха имела радиус 451 mm, внутренняя - 268 шт. Внешняя и внутренняя секции состояли из четырех одинаковых элементов, неподвижно закрепленных на вакуумной камере. Толщина кожуха - 10 nun. Секции кожуха установлены с зазором по большому азимуту в 3° 10'. Данные зазоры использовались также и для диагностических целей. Кроме того, напротив диагностических окон камеры, в кожухе также имелись отверстия для диагностики. В двух меридиональных сечениях на внутренней поверхности кожуха имелись пазы глубиной 5 mm и шириной 20 nun. в которые укладывались трубки прямоугольного
27