научная статья по теме КОМПЕНСАЦИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ПОТЕРЬ В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ ТОКАМАКА ТУМАН-3М Физика

Текст научной статьи на тему «КОМПЕНСАЦИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ПОТЕРЬ В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ ТОКАМАКА ТУМАН-3М»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 6, с. 66-70

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 533.9.07

КОМПЕНСАЦИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ПОТЕРЬ В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ ТОКАМАКА ТУМАН-3М

© 2011 г. Л. Г. Аскинази, Н. А. Жубр, В. А. Корнев, С. В. Лебедев, Д. В. Разуменко, А. С. Тукачинский

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26 Поступила в редакцию 11.02.2011 г. После доработки 16.03.2011 г.

В токамаке, в котором обмотка, создающая тороидальное магнитное поле с индукцией ВТ, питается от емкостного накопителя, основной причиной уменьшения Вт во время разряда являются рези-стивные потери. Модернизация схемы питания обмотки тороидального магнитного поля (о.т.п.) то-камака ТУМАН-3М направлена, во-первых, на увеличение Вт в стадии инжекционного нагрева и, во-вторых, на обеспечение квазистационарности Вт в течение всего разряда токамака. Для этой цели в существующую схему включен дополнительный двухсекционный емкостный накопитель, коммутируемый двумя тиристорными ключами. Каждая из двух секций накопителя имеет напряжение заряда 0.25 кВ, емкость 4.32 Ф и энергозапас 135 кДж. Максимальный ток разряда секции 40 кА. Модернизированная схема компенсирует резистивные потери в о.т.п. и таким образом обеспечивает в стадии инжекционного нагрева увеличение магнитного поля на 50% по сравнению со "старой" схемой: Вт = 1.0 Тл вместо 0.68 Тл. При этом схема поддерживает ток о.т.п. 110 кА с точностью 10% в течение ~60 мс.

1. ВВЕДЕНИЕ

Существовавшая до последнего времени схема питания обмотки тороидального магнитного поля (о.т.п.) токамака ТУМАН-3М обеспечивала быстрое, за время 11 мс, нарастание тока в о.т.п. /отп. до максимальной величины 110 кА (и соответственно тороидального магнитного поля Вт — до 1 Тл) и последующий "медленный" спад с характерным временем 160 мс [1] — см. рис. 1. Из-за спада /отп., обусловленного резистивными потерями в о.т.п., величина Вт в стадии инжекционного нагрева (на 70 мс) оказывалась равной 0.68 Тл вместо 1.0 Тл в начале разряда (на 30 мс).

Кроме того, спад Вт приводил к необходимости снижения плазменного тока 1п для сохранения значения коэффициента запаса устойчивости #цил. Это создавало трудности для ряда экспериментов, в частности для экспериментов по ин-жекционному нагреву [2]: следствием уменьшения 1п являлось снижение доли быстрых частиц, удерживаемых в плазме и определяющих мощность, вводимую в плазму при этом способе дополнительного нагрева [3]. Также были затруднены измерения потенциала плазмы с помощью диагностики на основе инжекции пучка тяжелых ионов, так как из-за изменения Вт в ходе разряда менялась локализация исследуемого объема, что снижало точность измерений и усложняло интерпретацию результатов [4]. Для преодоления перечисленных выше недостатков было необходимо усовершенствование схемы питания о.т.п.

В данной статье представлены результаты модернизации схемы питания о.т.п.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРЕЖНЕЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ О.Т.П. И ВЫБОР СХЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ

В связи с тем, что токамак ТУМАН-3М проектировался и сооружался для проведения экспериментов по магнитному сжатию плазмы [1], его конструкция и схема питания имеют ряд особенностей, не характерных для традиционных тока-маков. В частности, о.т.п. установки для снижения индуктивности изготовлена из одновитковых катушек, а не многовитковых, как в большинстве токамаков. Такая конструкция обладает низкой индуктивностью (70 мкГн), что позволяет быстро (за 3 мс) увеличивать магнитное поле Вт и таким образом осуществлять магнитное сжатие плазмы. (Поскольку в настоящее время эксперименты по магнитному сжатию не проводятся, конденсаторная батарея, позволяющая быстро увеличивать Вт, на схемах, приведенных в статье, не показана.)

Медленно меняющееся поле, используемое в экспериментах по омическому и инжекционному нагреву, в существовавшей до последнего времени схеме создается при разряде емкостного накопителя С1 на о.т.п. Ь2 через балластную индуктивность Ь]_, ограничивающую скорость нарастания тока в о.т.п. (см. рис. 2) и обеспечивающую мед-

t, мс

Рис. 1. Эволюция плазменного тока /п, продольного магнитного поля Вт, коэффициента запаса устойчивости #цил и форма импульса тока ионного источника инжектора нейтральных атомов 1иист (отражающая длительность фазы инжекционного нагрева) в типичном разряде токамака ТУМАН-3М до модернизации системы питания о.т.п.

ленный спад тока /олш., который после разряда С протекает по цепи Ь1—Ь2—Д1.

Из-за диссипации энергии в резистивных элементах такая схема питания о.т.п. не может поддерживать неизменным поле Вт на протяжении фазы плато тока по плазме 1п (см. рис. 1). Для обеспечения сценария с квазипостоянным Вт было необходимо разработать дополнительный источник тока в схеме питания, компенсирующий резистивные потери в цепи. Для поддержания постоянной величины Вт ток, обеспечивае-

мый этим источником, должен увеличиваться в течение фазы плато тока по плазме (~60 мс). Максимальный ток такого источника должен составлять ~40 кА.

При выборе источника следовало учесть также возможность перегрева о.т.п. при увеличении питающего ее тока. Так, при работе установки в соответствии со схемой на рис. 2 энергия, выделяющаяся в о.т.п. во время разряда, составляет ~0.5 МДж. В течение рабочего дня при следовании разрядов через 10—14 мин о.т.п. нагревается до ~30—40°С. Выполненные нами расчеты показали, что для того, чтобы температура тороидального соленоида (при сохранении частоты следования разрядов установки) не превышала допустимых 60°С, дополнительное энерговыделение в о.т.п. за разряд не должно превосходить 0.3 МДж. Для этого требовалось обеспечить достаточно быстрый вывод тока из о.т.п. после окончания плазменного разряда.

В качестве дополнительного источника питания о.т.п. нами был выбран емкостный накопитель, состоящий из двух секций, коммутируемых с помощью тиристорных ключей (см. рис. 3). Расчеты показали, что при одновременном отпирании ключей и ¿2 для обеспечения заданной величины изменения тока /отп. (<10%) на стадии плато тока по плазме оказывается достаточно использовать накопитель на основе электролитических конденсаторов с суммарной емкостью С2 + + С3 = 18 Ф (начальное напряжение и0 = 170 В, запасенная энергия Ж« 0.26 МДж).

Снижения суммарной емкости дополнительной батареи можно достичь при поочередном разряде емкостей С2 и С3 (см. рис. 3). При моделировании работы этой схемы варьировались емкости конденсаторов С2 и С3, начальные напряжения на них и моменты срабатывания ключей ¿1 и ¿2. Перечисленные величины подбирались такими, чтобы уровень пульсаций тока в о.т.п. не превосходил 10% на протяжении плато тока (~60 мс).

Рис. 2. Схема питания обмотки тороидального поля токамака ТУМАН-3М до модернизации. ^ и ^ — индуктивность и сопротивление о.т.п.; и ^ — индуктивность и сопротивление балластной индуктивности; С — высоковольтная конденсаторная батарея (5 кВ х 0.16 Ф); ¿0 — игнитронный ключ, через который емкость С разряжается на нагрузку; Д — сильноточный диод, имеющий сопротивление Яд{ ; Д, ^3—^5, Я7 — распределенные сопротивления токонесущих участков схемы.

Рис. 3. Схема питания обмотки тороидального поля после модернизации. — балластная индуктивность, ^ — о.т.п. (^6 — активное сопротивление о.т.п.); С — высоковольтная конденсаторная батарея, коммутируемая ключом ¿0; С2 и С3 — емкости секций дополнительной конденсаторной батареи; Я9 и Яц — внутренние сопротивления секций С2 и С3; ¿2 — ключи, коммутирующие секции дополнительной батареи в заданные моменты времени.

Численное моделирование показало, что при использовании двух батарей емкостью по 4.32 Ф удается обеспечить требуемый уровень изменения тока /отп. в течение —60 мс. Использованные при расчетах значения внутренних сопротивлений конденсаторных батарей R9 и Rn одинаковы и составляют 0.4 мОм, что соответствует величине этого параметра для батарей емкостью 4.32 Ф, состоящих каждая из 160 параллельно соединенных электролитических конденсаторов EPCOS B43564 (27000 мкФ х 250 В). Моделирование также показало, что дальнейшее увеличение числа конденсаторных секций не приводит к заметному уменьшению суммарной емкости дополнительной батареи (при заданной длительности фазы с квазипостоянным /олш.), хотя и может несколько уменьшить амплитуду пульсаций тока в цепи питания о.т.п.

Таким образом, для питания о.т.п. была выбрана двухзвенная схема построения дополнительного емкостного накопителя. Отметим, что выбранная схема обеспечивает быстрый вывод тока из о.т.п. после плазменного разряда: —110 мс. При этом энергия, запасенная в накопителе, не превышает 0.27 МДж. За счет этого удается обеспечить квазистационарную величину Вт без значительного увеличения нагрева о.т.п. за время разряда.

3. РАБОТА МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ

При создании системы питания о.т.п. был выбран модульный принцип конструкции, что позволяет в случае необходимости оперативно от-

ключать вышедшие из строя модули или заменять их исправными. В то же время, при необходимости уменьшения уровня пульсаций магнитного поля, появляется возможность решить эту задачу путем изменения программы управления модулями, коммутируя звенья батарей не в два, а в три (или больше) различных момента времени.

Принципиальная схема дополнительного накопителя для системы питания о.т.п., реализованная в настоящее время на установке ТУМАН-3М, представлена на рис. 4. Высоковольтная (5 кВ) батарея Сь диод Д и балластная индуктивность Ьх являются элементами, входящими в состав штатной системы питания о.т.п. (Ь2 на рис. 4). Дополнительный емкостный накопитель состоит из двух одинаковых конденсаторных батарей КБ-21 и КБ-22, снабженных тиристорными ключами. Напряжения заряда батарей независимо регулируются в пределах 0—250 В. Емкость каждой батареи составляет 4.32 Ф. Моменты открывания ключей подбираются индивидуально для каждой из двух батарей из условия обеспечения не более чем 10%-ного изменения /отп. на протяжении плато тока по плазме.

Каждая батарея состоит из восьми идентичных силовых модулей, соединенных параллел

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком