WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 8 04;12 Методы реконструкции равновесия плазмы на сферическом токамаке Глобус-М 1 © В.К. Гусев,1 С.Е. Бендер,2 А.В. Деч,1 Ю.А. Косцов,2 Р.Г. Левин,1 А.Б. Минеев,2 Н.В. Сахаров 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, Санкт-Петербург, Россия e-mail: Roman.Levin@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 14 декабря 2005 г.) Разработана магнитная диагностика токамака, позволяющая в широком диапазоне параметров плазмы производить достоверную реконструкцию равновесия плазмы. Произведен подробный анализ точности измерения геометрических параметров плазмы и ее тепловой энергии. Проведены результаты обработки экспериментов токамака Глобус-М с помощью кода EFIT. Изучено влияние конфигурации плазмы на интенсивность излучения основных примесных линий.

PACS: 52.55.Fa Введение В настоящей работе показано, что измерение радиального положения плазмы сферического токамака возможВ 1999 г. в Физико-техническом институте но при использовании обычных магнитных катушек и им. А.Ф. Иоффе введена в строй новая эксперименпетель и простых алгоритмов обработки сигналом в тальная физическая установка — сферический токамак широком диапазоне значений внутренней индуктивности Глобус-М [1,2]. Плазма в этой установке имеет малое плазмы li и параметра p, являющегося отношением аспектное отношение R/a = 1.5, где R = 0.36m — теплового давления плазмы к давлению полоидального большой, a = 0.24m — малый радиус плазмы. Помимо магнитного поля на границе плазмы.

малого аспектного отношения плазма в токамаке Для измерения формы внешней магнитной поверхГлобус-М вытянута в вертикальном направлении. Велиности плазмы на внутренней и внешней поверхностях чина вытянутости находится в диапазоне k 1.2-2.1.

вакуумной камеры был установлен набор замкнутных Большое количество обмоток полоидального магнитного по обходу тора петель, измеряющих пространственное поля позволяет получать различные типы магнитных распределение полоидального магнитного потока. При конфигураций, в которых плазма может быть ограничена плотной компоновке токамака Глобус-М магнитные петкак диафрагмой, так и магнитной сепаратрисой с ли удалось расположить максимально близко к поверхверхним или нижним положением X-точки.

ности плазмы. При близком к границе и оптимальном В настоящей работе описаны методы магнитной диавдоль полоидального обхода тора расположении петель гностики, применяемой для контроля за положением их количество может быть снижено без ущерба для плазменного шнура в направлении большого радиуса и точности реконструкции формы внешней магнитной пореконструкции формы внешней магнитной поверхности, верхности. Особенностью установок с малым аспектным а также для измерения усредненных параметров плазотношением является малая удаленность от границы мы — внутренней индуктивности и продольной энергии плазмы элементов электромагнитной системы, распоплазмы.

ложенных во внутреннем отверстии тора. Наибольшие Малое аспектное отношение плазмы требует верифипроблемы связаны с центральным соленоидом [3], кокации ряда методик магнитных измерений, используеторый возбуждает и поддерживает ток плазмы. При мых в обычных токамаках. Так, например, радиальное большом токе в соленоиде его поле рассеяния в объеме смещение плазменного шнура может быть определено плазмы становится сопоставимым с полоидальным магс помощью пары катушек, измеряющих вертикальное нитным полем и начинает влиять на форму плазменного магнитное поле вблизи границы плазмы со стороны шнура, несмотря на использование специальных коррексильного и слабого магнитного поля. Другим способом тирующих обмоток. Вторая проблема связана с токами, является измерение проходящего через плазму вертивозбуждаемыми в вакуумной камере токамака. Камера кального магнитного потока, обычно регистрируемого установки Глобус-М представляет собой цельносварную петлями седловидной формы. При малом аспектном конструкцию из нержавеющей стали [4]. Ток, возбуждаотношении плазмы магнитное поле вблизи ее границы емый в вакуумной камере, в некоторых фазах разряда начинает зависеть от формы радиального распределения сопоставим с током по плазме. Указанные трудности тока и давления внутри объема плазмы. При этом правильность определения положения плазмы по показа- необходимо учитыват при создании математической мониям простейших датчиков нуждается в подтверждении. дели токамака.

26 В.К. Гусев, С.Е. Бендер, А.В. Деч, Ю.А. Косцов, Р.Г. Левин, А.Б. Минеев, Н.В. Сахаров Для расчетов и реконструкции равновесных магнитных конфигураций плазмы был использован код EFIT [5].

В нашем случае данный код был впервые адаптирован для использования на персональном компьютере средней производительности. Использование новых магнитных петель и усовершенствованной модели установки позволило систематически проводить реконструкцию магнитных поверхностей в ходе плазменного эксперимента. В число выходных данных кода EFIT входят геометрические характеристики плазмы (положение, размеры, вытянутость в вертикальном направлении, треугольность), внутренняя индуктивность плазмы, параметр p.

Значения тепловой энергии плазмы, полученные с помощью реконструкции магнитного равновесия, были сопоставлены с кинетическими измерениями профилей электронной температуры и концентрации методом лазерной диагностики томсоновского рассеяния лазерного излучения и ионной температуры, измеренной по наклону энергетических спектров атомов перезарядки.

В режимах омического нагрева плазмы отмечено удовлетворительное, в пределах 10%, совпадение данных магнитных и кинетических измерений.

В первом разделе данной статьи описана магнитная диагностика и модель токамака Глобус-М, используемая для расчетов по коду EFIT. Во втором разделе приведен анализ точности реконструкции магнитной конфигурации плазмы при использовании ограниченного числа Рис. 1. Модель токамака Глобус-М для расчетов по коду EFIT, датчиков. Далее приведены результаты исследований показывающая положение основных элементов установки и по выбору диагностики для определения радиального петель для измерения магнитного потока.

положения плазмы, используемой в контуре автоматического управления с отрицательной обратной связью.

В последнем разделе приводятся некоторые результаколичество входных сигналов. Плохая сходимость задачи ты экспериментов. Применяемая в настоящее время реконструкции может быть связана с высокой чувствимагнитная диагностика позволила определить момент тельностью показаний зондов к локальным неоднородотрыва границы плазмы от диафрагмы и проследить ностям магнитного поля из-за близко расположенных таким образом влияние данного эффекта на показания обмоток магнитной системы и токов, протекающих по других диагностик.

вакуумной камере. По этой причине локальные зонды были заменены набором петель, измеряющих магМагнитная диагностика нитный поток в объеме плазмы и замкнутных вдоль для реконструкции равновесия плазмы большого обхода тора. Конструктивно основную часть петель оказалось проще расположить внутри вакуумДля реконструкции формы внешней магнитной по- ной камеры. Для соответствия вакуумным требованиям, верхности плазмы в токамаке желательно проводить включая прогрев камеры до температуры 200C, петли магнитные измерения как можно ближе к границе плаз- были изготовлены из коаксиального кабеля, в котором мы. При этом ключевое значение имеет правильный вы- центральный провод из нихрома защищен через изолябор типа и положения магнитных датчиков и адекватное цию трубкой из нержавеющей стали диаметром 1.5 mm.

описание токамака с помощью математической модели.

Расположение петель показано на рис. 1. Всего имеНа первой стадии проведения экспериментов был ис- ется 21 петля. Координаты петель были выбраны из пользован набор двухкоординатных магнитных зондов, условий минимизации ошибки реконструкции с учетом измеряющих нормальную и тангенциальную составля- реального расположения патрубков камеры. На этом же ющие полоидального магнитного поля относительно рисунке показан контур вакуумной камеры и положеконтура камеры. Тридцать два зонда располагались в ние обмоток электромагнитной системы. Центральный одном сечении вдоль малого обхода тока. Использова- соленоид CS расположен во внутреннем отверстии тора.

ние сигналов зондов вместе с измеряемыми токами в Для компенсации рассеянного поля соленоида в объеме обмотках электромагнитной системы не позволило удо- плазмы используются последовательно соединенные обвлетворительным образом осуществить реконструкцию мотки CC1-CC3, а также обмотка PF1. Основной обформы внешней границы плазмы несмотря на большое моткой, создающей необходимое для равновесия плазмы Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Методы реконструкции равновесия плазмы на сферическом токамаке Глобус-М вертикальное магнитное поле, является PF3. Обмотки устойчивости шнура. Даже небольшие погрешности в PF1 и PF2 предназначены для управления формой намотке и сборке соленоида приводят к существенной плазменного шнура, VFC и HFC создают вертикаль- асимметрии поля рассеяния в плазме. В используемой ное и горизонтальное магнитное поле и предназначены модели экспериментально обнаруженная асимметрия подля управления вертикальным и радиальным положе- ля соленоида описывается простым смещением катушки вниз на 3 mm от средней плоскости. Более точная нием плазмы через контуры с отрицательной обратной модель соленоида находится в стадии разработки.

связью.

Токи во всех обмотках электромагнитной системы измеряются поясами Роговского и являются также входАнализ точности реконструкции ными сигналами для кода EFIT, для измерения тока плазмы пояс расположен внутри вакуумной камеры. Второй Ключевой проблемой является точность реконструкпояс расположен снаружи и измеряет суммарный ток ции формы внешней магнитной поверхности при исчерез плазму и камеру. Разность показаний двух поясов пользовании ограниченного числа данных измерений.

позволяет определить ток в вакуумной камере.

Для оценки ошибки измерения использовались тестовые Для обработки экспериментальных данных с помощью магнитные конфигурации, полученные с помощью кода кода EFIT была создана модель токамака Глобус-М, которавновесия EFIT. При расчете таких конфигураций вырая включает в себя все обмотки полоидального магнитбирались заданные значения внутренней индуктивности ного поля, центральный соленоид, вакуумную камеру, плазмы, параметра p, а также положения плазмендиафрагмы, магнитные датчики. Диафрагмы описаны ного шнура. Далее получаемые из расчета величины замкнутым контуром. Для задания контура используется потоков через измерительные петли использовались в 48 точек, соединенных прямыми линиями. Координаты качестве входных сигналов в задаче реконструкции, этих точек рассчитаны по чертежам внутрикамерных также решаемой с помощью кода EFIT. Разница между элементов токамака (шпангоуты, графитовые и вольф- изначально рассчитанными и реконструированными раврамовые пластины).

новесными магнитными конфигурациями дает возможНаибольшая проблема связана с моделью вакуумной ность проанализировать точность определения основных камеры и центрального соленоида. Вакуумная камера геометрических показателей плазмы в широком диапапредставляет цельносварную конструкцию из нержавею- зоне плазменных параметров и для различных типов щей стали марки 12X18H10T с переменной толщиной конфигураций, ограниченных как диафрагмами, так и стенки от 2 до 14 mm в разных частях. Полное со- магнитной сепаратрисой с одной и двумя X-точками.

противление камеры тороидальному току около 100 µ. Диапазон изменения параметров плазмы в проведенном Модель камеры выполнена в виде 69 элементов, каждый анализе показан в табл. 1.

представляет собой параллелограмм с фиксированной Задаваемая ошибка измерений токов и магнитных длиной, толщиной, углом наклона и координатами цен- потоков составляла 3%. При этом учитывалась как тра. Количество витков каждого элемента численно погрешность самих измерений магнитных потоков, так приравнивается его проводимости в тороидальном на- и неточность в определении координат измерительных петель. Помимо этого рассматривались случаи уменьправлении. Все элементы вакуумной камеры разделены шения числа измерительных петель до 20 и 19 штук на 21 группу в соответствии с числом магнитных петель.

для возможных вариантов их расположения. Изменялось Ток в каждом элементе считается пропорциональным также распределение тока в вакуумной камере.

напряжению на ближайшей к нему петле. Такая модель На рис. 2 показаны значения отклонения реконструидает незначительное расхождение (в пределах 5%) с рованных координат X-точки от изначально выбранного измерениями тока в камере по разности показаний расчетного значения. Различные точки соответствуют наружного и внутреннего поясов Роговского.

диапазону параметров плазмы, приведенных в табл. 1.

В токамаке с малым аспектным отношением центральный соленоид может сильно влиять на форму и равновесие плазмы даже при наличии обмоток компенсации.

Таблица 1. Диапазон параметров плазмы, используемый для Высота соленоида в 1.3 m сопоставима с вертикальным анализа точности реконструкции внешней магнитной поверхразмером плазмы. Необходимо принимать во внимание ности неточности в намотке его витков и погрешности при сборке токамака. В модели соленоид намотан в два слоя Ток по плазме I, kA 100-p проводником с сечением 20 20 mm по 59 витков в Вытянутость в вертикальном направлении k 1.3-2.слое, толщина изоляции (зазор между витками) 2.43 mm.

Треугольность плазмы 0.05-0.При подаче в соленоид тока в 50 kA аксиальное магнитБольшой радиус плазмы R, m 0.3-0.ное поле в катушке достигает величины 6 T. Силовые Малый радиус a, m 0.15-0.линии этого поля замыкаются через объем плазмы.

Ток по вакуумной камере Iv, kA 0-Величина рассеянного поля соленоида сопоставима с Параметр p 0.1-полем тока плазмы, а его кривизна в фазе отрицатель- Внутренняя индуктивность плазмы li 0.5-1.Вертикальное смещение плазмы Z, m 0-0.ной полуволны тока неблагоприятна для вертикальной Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 28 В.К. Гусев, С.Е. Бендер, А.В. Деч, Ю.А. Косцов, Р.Г. Левин, А.Б. Минеев, Н.В. Сахаров Рис. 2. Ошибка в определении положения X-точки: a — 21 петля, ошибка измерений 0%; b — 20, 0; c — 19, 0; d — 19, 3. Разброс точек отвечает разным значениям k,, li и p в соответствии с данными табл. 1.

На рис. 2, a приведен идеальный случай, когда ис- янию между ними. Данная ситуация не представляет пользуется 21 петля, а ошибка измерений отсутствует. большого интереса, так как при этом X-точки расположены симметрично относительно средней плоскости.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.