Казахстанский Токамак Материаловедческий

Обзор Токамака КТМ

• Токамак КТМ (казахстанский токамак материаловедческий) установка с магнитным удержанием высокотемпературной водородной или дейтериевой плазмы. Назначение КТМ – исследование поведения материалов первой стенки и приемных диверторных пластин под комплексным воздействием мощных излучений – тепловых и корпускулярных потоков из плазмы.

В основу токамака КТМ заложены идеи:

- организации стационарного режима горения плазменного шнура с температурой >107К с помощью дополнительного ВЧ-нагрева мощностью до 7 МВт и. возможно, в дальнейшем NBI;

- организации стационарных потоков пристеночной плазмы в диверторную область с мощностями близкими или превышающими мощности потоков в дивертор и на стенку камеры ITER. В стационарном режиме горения плазменного шнура вся мощность, идущая на поддержание средней температуры выше 107К идет на стенку и в диверторную область в соотношении 30 и 70%. Таким образом обеспечивается мощность потоков пристеночной плазмы со всеми особенностями, присущими плазме токамаков, необходимыми для исследований и испытаний материалов первой стенки и дивертора.

- создания устройств, позволяющих оперативно менять материалы диверторных пластин, условия приема и величины потоков плазмы, быструю откачку и др.

Общий параметры установки КТМ.

Основные параметры.

Большой радиус плазмы 0,9 м

Малый радиус плазмы 0,45 м

Аспектное отношение А 2

Удлинение плазмы К₉₅ 1,7

Тороидальное магнитное поле на оси В_то 1

Ток плазмы 750 кА

Длительность тока 5 с

Мощность ВЧ 5 – 7 МВТ

Мощность тепловой нагрузки на приемные диверторные пластины 2 –20 МВт/м²

Плотность плазмы, n (3-5)10¹⁹ m^–3

Температура плазмы, Т (1.5^-3) кэВ

Миссия токамака КТМ

- создание экспериментальной базы для проведения системных исследований и испытаний материалов, технических и технологических процессов защиты первой стенки, приемных пластин дивертора, методов и систем теплоотвода;

- проведение уникальных исследований пограничной магнитной конфигураций между предельно компактным тороидами и классическими токамаками;

- создание условий для широкого международного сотрудничества в области материаловедения для термоядерной энергетики. Организация Международная лаборатории.

Токамак КТМ станет базовой установкой уникального стендового комплекса для проведения системных исследований материалов первой стенки и дивертора при взаимодействии потоков плазмы при нагрузках от 0,1 до 20 МВт/м² в широком диапазоне экспозиций.

Уникальность комплекса КТМ

Предусматриваемая возможность оперативного доступа в вакуумную камеру для смены элементов дивертора без нарушения высокого вакуума, параметры энергетических нагрузок, широкий набор используемых методов и диагностик позволят проводить на высоком уровне исследования и испытания в диверторном объеме и на первой стенке, что будет иметь важное значение для изучения материалов, обращенных к плазме, в программах ИТЭР, ДЕМО и для других экспериментальных и энергетических термоядерных реакторов.

Задачи проекта КТМ

- Создание уникальной исследовательской и испытательной базы для разработки материалов и соответствующих технологий термоядерных реакторов (ДЭМО и ПТЭ), а также узлов и элементов реакторных камер;

- Исследования принципиальных плазмофизических характеристик компактных токамаков как термоядерной составляющей гибридных реакторов для наработки искусственного ядерного топлива, утилизации долгоживущих высокоактивных отходов ядерной энергетики деления и, возможно, для производства электроэнергии в подкритических системах;

- Отработка высокоресурсных конструкций дивертора и первой стенки, режимов ВЧ-нагрева и генерации неиндуктивного тока в интересах ИТЭР и ДЭМО;

- Организация международной лаборатории, как центра международного сотрудничества с Россией, ЕС, США, Японией, Китаем и Южной Кореей.

Датчики напряжения обхода

Величина напряжения вихревого электрического поля на обходе плазменного шнура измеряется витком, расположенным максимально близко к плазменному витку.

Назначение и применение ДНО.

Датчики напряжения обхода (полнообходные петли) предназначены для измерения:

1.Напряжение на обходе плазменного витка U^ext → U_R_,_pl → R_pl;

2.Данные с петель используются для восстановления крайней магнитной поверхности плазмы вместе с двухкомпонентными датчиками;

3.Данные с петель используются для построения карты магнитных полей;

Таблица 1 – Координаты витков ДНО и их электрические выводы.

Обозначение по КД (1А227936)	Координаты R, мм	Координаты Z, мм	Выводы расположены в сечении ВК	№ колодки	Разъемы на колодке³⁾(в камере)
ДНО-01	370,75	-85	20 (ЭП¹)	Х3	26; 76 (83н; 83к)
ДНО-02	370,75	-565	20 (ЭП)	Х3	18; 68 (84н; 84к)
ДНО-03	600	-1059,25	20 (ЭП)	Х3	28; 78 (85н; 85к)
ДНО-04	899,25	-1059,25	20 (ЭП)	Х3	37; 87 (86н; 86к)
ДНО-05	900,75	-1059,25	20 (ЭП)	Х3	38; 88 (87н; 87к)
ДНО-06	1259,55	-565	20 (ЭП)	Х3	19; 69 (88н; 88к)
ДНО-07	1449,25	-85	20 (ЭП)	Х3	34; 84 (89н; 89к)
ДНО-08	1449,25	+695	20 (ЭП)	Х3	22; 72 (90н; 90к)
ДНО-09	900,75	+1124,25	20 (КР²)	Х1	19; 69 (92н; 92к)
ДНО-10	899,25	+1124,25	20 (КР)	Х1	20; 70 (93н; 93к)
ДНО-11	750	+1124,25	20 (КР)	Х1	21; 71 (94н; 94к)
ДНО-12	370,75	+695	20 (ЭП)	Х3	30; 80 (91н; 92к)

1) Вывод через экваториальный патрубок.

2) Вывод через патрубок на крышке.

3) Проводник “начало” в витой паре обозначен узелком.

Рисунок 1 – Место расположения ДНО на вакуумной камере.

Сам виток измеряет непосредственно полное напряжение на обходе U^ext:

где U_R _, _pl – омическое падение напряжение на плазменном шуре;

L_pl – индуктивность плазменного шнура;

I_pl – ток плазмы.

U_R _, _pl = I_pl R_pl

Зная идуктивность и ток плазмы можно определить ее сопротивление и соответственно мощность омического нагрева.

(из Докуки)

Согласно УТС (Минеева) индуктивность можно найти из данных о геометрии плазмы.

Обработка данных с ДНО

Определение омического падения напряжения U_R на плазменном шнуре.

Напряжение на обходе:

, (1)

где U_i – напряжение снимаемое с i-ой петли, [В];

n – количество петель.

Напряжение на обходе складывается из омического падения напряжения и индуктивного:

, (2)

или

, (3)

где U_R – омическое падение напряжения, [В];

I_Pl – ток плазмы, [А];

L_Pl – индуктивность, [Гн].

Значение тока плазмы I_pl ипроизводной тока плазмы dI / dt находятся из измерений поясом роговского:

(4)

Таким образом омическое падение напряжение:

(4)

Как видно из уравнения (4) для определения U_R необходимы данные о индуктивности плазменного шнура.

Индуктивность плазменного шнура:

, [Гн] (5)

где – магнитная постоянная, [Гн/м];

R ₀ – большой радиус плазмы, м;

а – малый радиус плазмы, м;

k – вытянутость плазмы;

l_i – внутренняя индуктивность плазмы.

Внутренняя индуктивность плазмы:

(6)

где q ₉₅ – запас устойчивости по уровню 95% - го полоидального потока.

Запас устойчивости для плазмы вытянутого сечения:

(7)

где B_t – магнитная индукция тороидального магнитного поля (на геометрической оси плазмы), Тл;

δ – треугольность плазмы;

А – аспектное отношение плазмы, A = R ₀ /а.

В уравнении (7) по всей видимости необходимо использовать значения вытянутости k и треугольности δ для 95% уровня полного полоидального потока в плазме, т.е. k ₉₅ и δ₉₅.

Значения R ₀ , а, k , δ находятся из расчета равновесной магнитной конфигурации, т.е. определяются из восстановления формы крайней магнитной поверхности по соответствующим точкам (см. рисунок 2).

Большой радиус R ₀ плазменного шнура:

, (8)

Малый радиус а плазменного шнура:

, (9)

Вытянутость k:

, (10)

Треугольность δ:

, (11)

где , .

Рисунок 2 – Характерные точки сечения плазменного шнура.

После определения величины омического падения напряжения U_R на обходе плазменного шнуры можно определить мощность омического нагрева плазмы:

, [Вт] (12)

Активное сопротивление плазменного шнура:

, [Ом] (13)

Для плазменного шнура с большим радиусом R ₀, малым радиусом а и вытянутости k активное сопротивление:

, (14)

где – удельное сопротивление плазмы, Ом·м.

Откуда удельное сопротивление:

(15)

Величина удельного сопротивления обратна удельной проводимости:

, (16)

Определение мощности омического нагрева

Для определения мощности омического нагрева плазмы необходимо выполнить следующие операции:

1. Вычислить запас устойчивости по уровню 95% - го полоидального потока:

где B_t – магнитная индукция тороидального магнитного поля, для расчета берем B_t =1Тл;

δ – треугольность плазмы;

к – вытянутость плазмы;

R ₀ – большой радиус плазмы, м;

а– малый радиус плазмы, м.

Все значения R ₀ , а, δ и к берутся из данных программы восстановления крайней магнитной поверхности плазмы.

2. Внутренняя индуктивность плазмы:

3. Индуктивность плазменного шнура:

, [Гн] (5)

где – магнитная постоянная, [Гн/м];

4. Омическое падение напряжение:

где – напряжение на обходе, [В];

I_Pl – ток плазмы, [А];

U _ПР – напряжение снимаемое с пояса роговского (1ПРВ), [В];

К_ПР – постоянная пояса роговского, [м].

Все вычисления производятся после определения значений ток плазмы I_Pl инапряжения на обходе .

После определения величины омического падения напряжения U_R на обходе плазменного шнура можно определить мощность омического нагрева плазмы:

, [Вт]

где U_R – напряжение на обходе, [В];

I_Pl – ток плазмы, [А];

Определение магнитного потока через датчики ДНО.

Для определения потока проходящего через полнообходные петли (ДНО) необходимо проинтегрировать напряжение снимаемое с петли:

, [Вб]

где U _ПР – напряжение снимаемое с ДНО, [В];

Значение напряжения берется после обработки (фильтрация и т.п.)

Операцию определения потока необходимо совершить для всех 12 петель, т.е. в конечном итоге будет 12 файлов со значением потока для каждой из петель.

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 741; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!