Стрелков Основы текхники термоядерного експеримента 2015

чиной магнитного поля. В случае использования индуктора с ферромагнитным сердечником, величина магнитного поля Вind может изменяться в пределах от –1,8 до +1,8 Тл.

Для воздушного индуктора эта величина может быть и больше, она ограничена механической и электрической прочностью обмотки индуктора (первичной обмотки), мощностью и запасом энергии источника питания. При использовании воздушного индуктора необходимо особо внимательно относиться к расчётам величины рассеянных полей от индуктора, определяющих процессы формирования и равновесия плазменного шнура. Абсолютные значения рассеянных магнитных полей возрастают в раз по отношению варианту с железом. Для воздушного индуктора значения рассеянных полей в любой точке пространства просто и надёжно считаются, так как они линейно зависят от величины токов в обмотках. В случае ферромагнитного магнитопровода этот расчёт сложнее, так как необходимо учитывать изменение степени насыщения железа во время процесса. Основные элементы электромагнитной системы токамака показаны на рис. 1.32.

Рис. 1.32. Магнитная система токамака: 1 – магнитопровод; 2 – медленные управляющие обмотки; 3 – обмотка вихревого поля; 4 – быстрые управляющие обмотки; 5 – проводящий кожух; 6 – внутренняя камера; 7 – лимитер; 8 – плазма; 9 – блок обмотки тороидального поля. Ток плазмы и тороидальное поле направлены перпендикулярно плоскости рисунка. Bj – поле тока; B – управляющее поле

71

1.10.2.2. Тороидальное поле

Величина тороидального магнитного поля играет определяющую роль конструкции токамака и предельных достижимых параметров плазмы, которые могут быть получены на конкретной установке. Во-первых, через условие макроскопической устойчивости определяется максимальная величина плазменного тока и, следовательно, предельная температура плазмы в режиме омического нагрева. Во-вторых, условие удержания плазмы по малому радиусу определяет предельно достижимое давление плазмы при любых методах её нагрева.

Тороидальное магнитное поле создается системой катушек, равномерно расположенных вдоль обхода тора. Число катушек и соотношение между их размером и поперечным размером плазмы определяет степень гофрировки магнитного поля в объёме плазмы. Величина гофрировки определяет величину потерь с суперзапертыми частицами, упоминавшимися в разделе 1.6. Кроме того, наличие гофрировки вызывает усиление потерь быстрых ионов при инжекции пучков нейтралов в направлении, нормальном к тороидальному полю. Распределение гофрировки по сечению плазмы в установке Т-10 показано на рис. 1.33.

Рис. 1.33. Линии равного уровня гофрировки в Т-10. Заштрихована область отсутствия магнитной ямы, связанной с гофрировкой, пунктиром отмечена граница плазмы

72

Итак, главная проблема для хорошего токамака – величина и длительность существования тороидального магнитного поля. Решение этой проблемы возможно в двух вариантах. Это – обычные проводники или сверхпроводники.

При использовании обычных проводников величина и длительность тороидального магнитного поля в первую очередь зависят от мощности и запаса энергии источника питания. Если энергия источника не лимитирована, то есть, в принципе, возможно существование стационарного магнитного поля, то предельные параметры определятся механической прочностью обмотки и возможностями системы охлаждения обмотки, которая должна снимать всю мощность омического тепла, выделяющегося в обмотке. При ограниченном запасе энергии в источнике питания возможна только импульсная работа установки. При этом в момент роста и спада поля и его существования на заданном уровне будет происходить рост температуры обмотки, а её охлаждение до исходного уровня в интервалах времени между импульсами.

Максимальная величина магнитного поля будет зависеть от механической и электрической прочности конструкции и величины мощности источника питания. Длительность импульса запасом энергии источника питания и перегревом обмотки. Примерами успешного применения обычных проводников для обмоток тороидального поля могут служить установки: Т-10 (В0 = 4,5 Тл, 1975 г.),

JET (В0 = 3,45 Tл, 1984 г.), TFTR (В0 = 5,2 Tл, 1983 г.), JT-60U (В0 = 4,2 Tл, 1985 г.) и другие. (В0 максимальная проектная величина тороидального магнитного поля на оси плазменного шнура.)

Использование сверхпроводящих материалов позволяет практически свести к нулю требования к источнику питания, однако здесь возникают свои проблемы. Дело в том, что явление сверхпроводимости в веществах, называемых сверхпроводниками, наблюдается внутри некой ограниченной области внешних и внутренних параметров. Этими параметрами являются температура, магнитное поле и плотность электрического тока в проводнике. То есть для каждого вида сверхпроводника существуют критические значения температуры, магнитного поля и плотности электрического тока, при приближении к которым сверхпроводимость разрушается. Причём достижение критической величины любого из этих трёх параметров возможно, если только другие два стремятся к нулю.

73

Другими словами, рабочая точка параметров сверхпроводника в осях (температура, магнитное поле и плотность электрического тока) должна лежать ниже плоскости, проведённой через критические значения этих параметров (рис. 1.34).

Рис. 1.34. Выбор рабочей точки сверхпроводника

Открытие сверхпроводимости относится к 1912 году, однако только в 60-х годах прошлого столетия появилась реальная возможность технического применения этого явления. Как правило, рассматривались соединения NbTi или Nb3Sn. Для первого

Tcrit = 9,8 К, Bcrit = 12 Тл, для второго Tcrit = 18 K, Bcrit = 25 Тл. На первый взгляд, сверхпроводящий кабель на основе NbTi имеет в

два раза меньшие значения предельных параметров, чем кабель на основе Nb3Sn, и предпочтительнее использовать Nb3Sn. Но соединение Nb3Sn очень хрупкое, и технологически сложно изготовить обмотку с большим количеством витков, состоящую из отдельных катушек так, чтобы не разрушить сверхпроводник в результате его случайной деформации при изготовлении обмотки. Обнаружить наличие дефекта в процессе изготовления Nb3Sn обмотки можно только в холодных испытаниях обмотки в целом или её отдельных блоков. По этой причине в обмотке тороидального поля первого в

74

ка. Недостающие два блока были собраны из работоспособных катушек «бракованных» блоков и после повторных стендовых испытаний были установлены на Т-15. Окончательно убедиться в работоспособности обмотки можно было лишь в полномасштабных плазменных экспериментах.

В период с 1988 1995 гг. было проведено несколько экспериментальных компаний, в которых, наряду с пусконаладочными работами по всем системам установки, включая систему управления и сбора данных, проводилась наладка физических диагностик в режиме омического нагрева. Всего до момента остановки эксперимента было проведено около сотни рабочих импульсов в омическом режиме. Начаты работы по наладке и вводу в строй диагностического комплекса установки, систем нагрева инжекцией и ЭЦР. Максимальное значение рабочего тока в плазме в этих экспериментах было 1,0 МА, (проектная величина 1,4 МА). Максимальная полученная величина стационарного (десятки часов) тороидального магнитного поля на оси плазменного шнура 3,6 Тл (проектное значение 3,5 Тл). В середине 1995 года эксперименты на Т-15 были приостановлены из-за финансовых проблем – отсутствия денег на зарплату и покупку жидкого азота.

Основной итог работ на Т-15 – демонстрация реальности использования сверхпроводника на основе Nb3Sn в крупной установке. В ИТЭРе в обмотке тороидального поля и в части обмоток полоидальных полей используются сверхпроводники Nb3Sn.

Отметим, что в последние годы достигнут большой прогресс в разработке «высокотемпературных» сверхпроводников. Получены

образцы с полем Bcrit до 100 Тл, критическим током до 2 кА и температурой Tcrit > 90 K, что выше температуры кипения азота. Суще-

ствуют проекты малых токамаков, где предполагается изготовление некоторых обмоток из таких сверхпроводников.

1.11.Системы управления, сбора, обработки

ихранения данных

Систему управления можно условно разделить на две: систему управления технологическими устройствами установки и систему управления параметрами плазмы. В их состав входят многочисленные системы измерений параметров плазмы (системы плазменных

77

диагностик) и различных технологических величин, а также системы сбора, обработки и хранения данных. В настоящее время все токамаки являются импульсными, поэтому система управления параметрами плазмы в основном работает во время существования плазмы (рабочего импульса), а система управления технологическими устройствами установки – круглосуточно во время всей экспериментальной компании. Естественно, что функция обработки и хранения данных остаётся и на период между экспериментальными компаниями.

Система управления технологическими устройствами установки должна обеспечивать нормальную работу всех инженерных систем установки, информацию оператору об отклонениях от нормы ка- кой-либо из них, и автоматическое отключение устройства при возникновении аварийных ситуаций.

Система управления параметрами плазмы обеспечивает работу систем установки до, во время и после рабочего импульса. Во время рабочего импульса происходят образование плазмы, поддержание ряда её параметров в заданных пределах, измерение распределения параметров плазмы по сечению плазменного шнура и изменение этих характеристик во время процесса. В функции системы управления параметрами плазмы входят также включение и выключение дополнительного нагрева, контроль его параметров.

В качестве примера рассмотрим систему управления положением плазменного шнура по большому радиусу. Тороидальный плазменный шнур с током может находиться в равновесии по большому радиусу только, если сила электродинамического расталкивания кольцевого тока и сила, связанная с давлением плазмы (баллонный эффект), будут компенсированы электродинамической силой взаимодействия тока плазмы с вертикальным магнитным полем, создаваемым обмотками равновесия (см. раздел 1.5). Задачей системы управления положением плазменного шнура по большому радиусу является изменение величины тока в обмотках управления так, чтобы положение плазменного шнура по большому радиусу в процессе разряда оставалось неизменным или изменялось в соответствии с заданной программой. В качестве датчика «положения плазменного шнура по большому радиусу» может служить разностный сигнал двух магнитных зондов, диаметрально расположенных вне вакуумной камеры, и сигнал от петель, измеряющих поперечное поле B .

Другой возможный вариант использование разностного сигнала двух вертикальных каналов интерферометра, симметрично рас-

78

положенных относительно магнитной оси, которые измеряют интеграл произведения локальной плотности плазмы на длину пути зондирующего луча в плазме.

Данные диагностик Т-10, показанных на рис. 1.37, собираются системой DASTOOLS. Система архивирует данные, проводит математическую обработку и выдает в различных видах. Пример выдачи нормированных сигналов эволюции средней плотности I.F8, мощности ЭЦР-нагрева I.ec, ЭЦ-излучения (температуры Te(0)), ECE29 и напряжения обхода U приведён на рис. 1.38.

На рис. 1.39. показаны сигналы многохордового интерферометра и восстановленные профили плотности плазмы. Подробнее измерения плотности будут обсуждаться в разделе 2.6.1.

Вопросы к разделам 1.10–1.11

1.Назовите основные системы токамака.

2.В чём разница между воздушным и ферромагнитным индуктором?

3.Что определяет предельные параметры плазмы в любом токамаке, работающем в режиме отдельных импульсов, при неограниченных возможностях различных методов нагрева плазмы?

4.Чем определится предельное значение тороидального магнитного поля в токамаке при использовании обычных проводников?

5.В чём сущность явления сверхпроводимости. Что подразумевается под термином «техническая сверхпроводимость»?

6.Какие примеры использования технической сверхпроводимости вам известны?

7.Каковы основные требования к вакуумной камере?

8.Что даёт прогрев камеры и другие процедуры «тренировки» камеры?

9.Для чего камера снабжается большим количеством патрубков?

10.Каковы основные функции системы управления и сбора данных?

11.Обмотка тороидального поля установки Т-10 (радиус R = 1.5 м) состоит из 16 блоков по 116 витков в каждом. Какой требуется ток для получения магнитного поля Bt = 4,5 Tл.

12.Шины питания обмотки тороидального поля являются медными полосами длиной 10 м, находятся на расстоянии 0,1 м, и по ним течёт ток 10 кА. Как и с какой силой взаимодействуют шины?

79