Способ определения устойчивости предстоящего плазменного разряда в термоядерных установках

 

Использование: изобретение относится к области термоядерных исследований и может быть использовано для определения устойчивости предстоящего плазменного разряда на термоядерных установках, в частности на установках типа токамак. Сущность: после откачки разрядной камеры до заданного давления производят предварительный диагностический плазменный разряд по времени и по вкладываемой в плазму энергии, равный пробою в предстоящем плазменном рабочем разряде, измеряют скорость нарастания тока плазмы и интеграл мощности радиационных потерь за время диагностического разряда, после чего определяют возможность проведения устойчивого рабочего разряда по одновременному выполнению условия превышения скорости нарастания тока плазмы в диагностическом разряде над минимально допустимым значением и условия нахождения интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд в интервале от минимально допустимого до максимально допустимого значения. При этом допустимые значения скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд для каждой конкретной термоядерной установки находят заранее , один раз, путем проведения серии следующих парами разрядов - диагностического и рабочего - и одновременной регистрации скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд и наличия либо отсутствия срыва тока плазмы в последующем рабочем разряде, а серию пар разрядов проводят для всего диапазона изменения вакуумного состояния разрядной камеры, начиная с состояния после очистки камеры и кончая состоянием перед началом следующей очистки, и получают допустимые значения по наличию либо отсутствию срыва тока. 2 ил. С/5 d 00 Н ЧО О w о

р 00 Изобретение относится к области термоядерных исследований и может быть использовано для определения устойчивости предстоящего плазменного разряда на термоядерных установках, в частности на установках типа токамак. Целью изобретения является повышение точности определения устойчивости предстоящего плазменного разряда и увеличение за счет этого возможности проведения большего количества устойчивых рабочих разрядов за время работы установки. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения устойчивости предстоящего плазменного разряда на термоядерных установках, включающем откачку разрядов камеры до заданного давления и проведение плазменного рабочего разряда, производят предварительный диагностический плазменный разряд, по времени и по вкладываемой в плазму энергии равный пробою в предстоящем плазменном рабочем разряде, измеряют скорость нарастания тока плазмы и интеграл мощности радиационных потерь за время диагностического разряда, после чего определяют возможность проведения устойчивого рабочего разряда по одновременному выполнению условия превышения скорости нарастания тока плазмы в диагностическом разряде над минимально допустимым значением и условия нахождения интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд в интервале от минимально допустимого до максимально допустимого значения, при этом допустимые значения скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд для каждой конкретной термоядерной установки находят заранее, один раз, путем проведения серии следующих парами разрядов - диагностического и рабочего - и одновременной регистрации скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд и наличия либо отсутствия срыва тока плазмы в последующем рабочем разряде, а серию пар разрядов проводят для всего диапазона изменения вакуумного состояния разрядной камеры, начиная с состояния после очистки камеры и кончая состоянием перед началом следующей очистки, и получают допустимые значения по наличию либо отсутствию срыва тока. Сущность технического решения задачи заключается в следующем. С точки зрения предварительной оценки устойчивости плазменного разряда критической стадией разряда является пробой, так как на последующей стадии могут быть приведены в действие уже разработанные методы обеспечения устойчивости разряда. Если же срыв начал развиваться с началом плазменного разряда (с пробоем), то остановить его развитие и провести устойчивый разряд не представляется возможным. Для того, чтобы физически смоделировать пробой в предстоящем плазменном разряде, перед разрядом производится отдельный специальный диагностический разряд. Длительность диагностического разряда равна длительности пробоя в основном (рабочем) разряде, так как - требуется моделировать только пробой; - длительное проведение диагностического разряда заметно влияет на вакуумное состояние камеры и искажает результаты оценки; - продолжительность пробоя, как правило, во много раз меньше продолжительности разряда в целом и моделирование всего разряда требует существенных энергозатрат. Энергия, вкладываемая в плазму за диагностический разряд, равна энергии, вкладываемой в плазму за стадию пробоя в рабочем разряде, поскольку нужно соблюсти подобие диагностического разряда пробою в рабочем разряде. Очевидно, что необходимой составляющей предложенного способа является откачка разрядной камеры. Откачка освобождает внутренний объем камеры от находившихся там рабочего газа и примесей, что позволяет контролировать тот рабочий газ и примеси, которые поступают в диагностическом разряде в камеру с ее внутренних конструкций. При проведении диагностического разряда измеряются скорость нарастания тока плазмы и интеграл мощности радиационных потерь, - параметры наиболее информативные с точки зрения оценки устойчивости предстоящего рабочего разряда. Полная мощность радиационных потерь при пробое зависит от начального давления газа (Рн), попадающего в плазму при пробое. Давление Р„ при пробое в рабочем разряде складывается из давления за счет управляемой инжекции рабочего газа в камеру перед пробоем и из давления за счет неуправляемого потока рабочего газа и примесей, поступающих при пробое с внутренних конструкций разрядной камеры. Общая энергия радиационных потерь плазмы за время пробоя, т.е. интеграл мощности радиационных потерь за пробой, квазилинейно зависит в рабочем диапазоне от давления Рн для данного объема камеры и данного напряжения пробоя, и значит, при заданном управляемом потоке рабочего газа учитывает и неуправляемый поток рабочего газа и примесей. Зоне значений давления Рн, при которых возможно проведение устойчивого разряда (зоне устойчивых значений Рн), соответствует своя зона значений интеграла мощности радиационных потерь за время пробоя. Поэтому, при соблюдении подобия диагностического разряда пробою в рабочем разряде по величине интеграла мощности радиационных потерь за время диагностического разряда можно оценить, соответствует ли эта величина зоне устойчивых значений давления Рв, то есть возможно ли проведение устойчивого разряда для данных начальных условий. Возможности проведения устойчивого рабочего разряда по данным о радиационных потерях в диагностическом разряде отвечает условие to t (to S Р a J P dt a J P гдгдгд to ItoIto max. (1) mi n где t - текущее время; t0 - момент начала диагностического разряда; t, - момент конца диагностического разряда; Рга - мощность радиационных потерь плазмы в диагностическом разряде. Однако наличие одного условия (1) не позволяет еще с уверенностью утверждать, что разряд будет устойчивым: когда неуправляемый поток рабочего газа и примесей в плазму в основном пробое, а значит и величина давления Рн значительно выше, чем требуется для устойчивого пробоя, вид зависимости мощности радиационных потерь в разряде Рг от Рн меняется. Радиационные потери начинают уменьшаться с увеличением начального давления Рн, что связано с ухудшением условий пробоя, т.е. зависимость радиационных потерь от начального давления неоднозначна. Поэтому в качестве источника дополнительной информации добавляется еще один параметр плазмы. Для этой области значений давления Ра имеет место уменьшение скорости роста тока плазмы при пробое: чем больше величина Рн, тем меньше скорость роста тока плазмы при пробое. Поэтому зоне неустойчивых значений давления Рн (при величинах Рн значительно больших устойчивых) соответствует уменьшение скорости роста тока плазмы при пробое. И наоборот, если скорость роста тока при пробое соответствует номинальной, то возможно проведение устойчивого разряда для данных начальных условий. При соблюдении подобия диагностического разряда пробою в основном разряде по уменьшению скорости роста тока плазмы в диагностическом разряде (dlpj/dt) можно предсказать соответствующее уменьшение скорости роста тока в предстоящем основном пробое, т.е. для этой области значений Рн информативен уже другой параметр диагностического разряда - (dlpjl/dt). Здесь возможности проведения устойчивого рабочего разряда по данным о токе плазмы в диагностическом разряде условие: ful РД dt I dt I Jmin Таким образом, проведение устойчивого разряда возможно при одновременном соблюдении обоих условий - (1) и (2), т.е. факт возможности проведения устойчивого разряда по данным диагностического разряда определяется по совокупности выполнения этих условий. Для нахождения конкретных значений предельных величин в условиях (1), (2) на конкретной термоядерной установке при заданных начальных условиях проводят серию следующих парами разрядов - диагностического и рабочего - в течение времени, начиная с момента после окончания очистки разрядной камеры и кончая началом следующей плановой очистки. Такая серия пар разрядов будет проведена для всего диапазона изменения вакуумного состояния разрядной камеры. При этом значения скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь в диагностических разрядах изменяются от одной пары разрядов к другой вместе с изменением в процессе работы вакуумного состояния стенок разрядной камеры. Изменяясь, указанные параметры проходят диапазоны своих рабочих (встречающихся на практике) значений. Если одновременно отмечать, при каких значениях этих регистрируемых параметров имел место срыв тока плазмы, а при каких - нет, то отсюда можно определить области допустимых значений регистрируемых параметров, соответствующие устойчивому плазменному разряду, т.е. предельные величины параметров в условиях (1), (2). На фиг.1 представлены временные диаграммы развития тока плазмы 1р и мощности радиационных потерь Рг для диагностических разрядов: перед устойчивым ( Ь) и неустойчивыми (а, с, d) рабочими разрядами. На фиг.2 дан общий вид зависимостей параметров диагностического разряда от давления газа, участвующего в пробое в рабочем разряде. Области b соответствует устойчивый плазменный разряд, области а - разряд, неустойчивый вследствие недостаточного начального давления Рн, областям с и d - разряд, неустойчивый вследствие чрезмерного начального давления Рн. Области с 71 соответствует прямая ветвь зависимости интеграла мощности радиационных потерь в диагностическом разряде от начального давления: области d - обратная ветвь. Способ осуществляется следующим образом . Камеру установки откачивают до заданного давления. Проводят диагностический разряд по времени и вкладываемой мощности, равный пробою в рабочем разряде. Регистрируют скорость нарастания тока плазмы и интеграл мощности радиационных потерь за время диагностического разряда и сравнивают их с предельно допустимыми значениями этих величин, определенных заранее экспериментально для данной установки . При совместном выполнении условий (1), (2) делают вывод об устойчивости предстоящего рабочего плазменного разряда и целесообразности его проведения. Регистрацию параметров можно осуществлять отдельными приборами или автоматически с помощью ЭВМ, где результирующая оценка устойчивости производится автоматически. На термоядерной установке Т-10 опробованы оба варианта. Очевидно, что автоматический режим предпочтительнее с точки зрения быстродействия. Для проведения диагностического разряда использовалась специальная конденсаторная батарея. Производная тока плазмы по времени измерялась с помощью пояса Роговского, интеграл мощности радиационных потерь - с помощью пироэлектрического датчика; для предварительной обработки измеряемых сигналов использовалась стандартная аппаратура. В первом варианте реализации способа использовался запоминающий осциллограф С8-17 - для визуализации измеренных сигналов. Во втором варианте использовались крейт КА- МАК с микропроцессором INTEL-8080 алфавитно-цифровой и квазиграфический дисплей - для обработки сигналов. На установке Т-10 имели место следую щие начальные условия: а) в основном рабочем разряде: давление в камере 2, Торр; напряжение пробоя 2,0 KB; энергия, вкладываемая в плазму при пробое, - до 7 КДж; в) в диагностическом разряде: давление в камере Торр; напряжение пробоя 2,25 КВ. Условия проведения устойчивого разряда при этом t 3,7КДж г: S p dt Ј 0,8КДж. гд to 8 Эти значения были получены экспериментально по наблюдениям за измеряемыми параметрами в диагностическом разряде и за последующим ходом рабочего разряда (со срывом тока или без). На основании наблюдений последовательности пар разрядов ( диагностического и рабочего), среди которых присутствовали как устойчивые, так и неустойчивые рабочие разряды, были определены диапазоны изменения измеряемых параметров диагностического разряда, соответствующие устойчивому рабочему разряду . В ходе испытаний способа на установке Т-10 однозначно определялась возможность проведения устойчивого рабочего разряда по одновременному выполнению условия превышения скорости нарастания тока плазмы в диагностическом разряде над минимально допустимым значением и условия нахождения интервала мощности радиационных потерь за диагностический разряд в интервале от минимально допустимого до максимально допустимого значения, т.е. по одновременному выполнению условий (1), (2). Такое определение производилось как для предстоящего одиночного рабочего разряда , так и отдельно для каждого из последовательности идущих друг за другом рабочих разрядов (до 18 разрядов подряд) за цикл экспериментов установки. Серии пар разрядов (диагностического и рабочего) проводились неоднократно для проверки повторяемости и достоверности результатов. Предложенный способ позволяет улучшить одну из основных технических характеристик , являющуюся определяющей для термоядерных установок, - увеличить возможность проведения большего количества устойчивых рабочих разрядов за время работы установки. Возможность проведения большего числа устойчивых разрядов повышается за счет повышения точности определенияустойчивости предстоящего плазменного разряда. Этим достигается удешевление получаемой на установке экспериментальной информации, так как за время работы установки производится большее число разрядов и, следовательно, получается больше экспериментальной информации на единицу времени работы установки.

Формула изобретения

xll , Ut J 2,ОМА/с, Способ определения устойчивости предстоящего плазменного разряда в термоядерных установках, включающий откачку разрядной камеры до заданного давления и зажигание плазменного рабочего разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения устойчивости предстоящего плазменного разряда и увеличения за счет этого возможности проведения большего количества устойчивых разрядов за время работы установки, зажигают предварительный диагностический плазменный разряд , по времени и по вкладываемой энергии соответствующий пробою в предстоящем плазменном рабочем разряде, измеряют скорость нарастания тока плазмы и интеграл мощности радиационных потерь за время диагностического разряда, после чего определяют возможность проведения устойчивого рабочего разряда по одновременному выполнению условия превышения скорости нарастания тока плазмы в диагностическом разряде над минимально допустимым значением и условия нахождения значения интеграла мощности радиационных потерь за время диагностического разряда в интервале от минимально допустимого максимально допустимого значения, при этом допустимые значения скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за диагностический разряд определяют путем проведения серии следующих парами разрядов - диагностического и рабочего - и одновременной регистрации скорости нарастания тока плазмы и интеграла мощности радиационных потерь за время диагностического разряда, серию пар разрядов проводят для всего диапазона изменения вакуумного состояния разрядов камеры от состояния после очистки камеры до состояния перед началом следующей очистки и определяют допустимые значения по наличию либо отсутствию срыва тока.