Способ юстировки тороидальной магнитной системы для удержания плазмы Советский патент 1988 года по МПК G21B1/00 H05H1/00 

Изобретение относится к физике плазмы и управляемому синтезу и может быть использовано при конструировании и наладке магнитных систем тороидальных плазменных установок, состоящих из дискретных соленоидов, в частности систем с пространственной магнитной осью.

Целью изобретения является упрощение процесса юстировки.

На фиг. 1 показаны графики зависиZ (кривая 2), показывающие влияние соответственно первого и второго чле- нов уравнения (6) на сдвиг силовой линии при повороте кольца с током на угол о/ на Лиг. 2 - графики зависимости

3z,- dz, 2(Гн- z )«

от z, (кривая 3),

3z,

2( 1 + z)vi

от zу (кривая 4), показывающие влияние на сбой силовой магнитной линии сдвига кольца с током по радиусу и по оси соответственно, где Z - координата.

Использование перемещающихся дискретных соленоидов позволяет исправлять погрешности в размещении других неподвижных соленоидов на геометрической оси магнитной ловушки.

Рассмотрим модельную задачу о искажении магнитных силовых линий в прямом соленоиде, образованном кольцевыми токами 11( в бесконечно тонких кольцах радиуса а, отстающих друг от друга на шаг h, в случае, если плоскость каждого кольца имеет случайное угловое смещение о относительно плоскости, перпендикулярной оси соленоида. Рассмотрим также влияние на силовые линии сдвигов центров колец по радиусу дУ и вдоль оси соленоида iz и покажем, что основное влияние на сбой магнитных силовых линий оказывает угловое смещение колец. Замена реальной геометрии силовых линий пространственного соленоида полем прямого соленоида существенно не влияет на полученные оценки, так как случайные сбои одного кольца

Ла/ь

-IV,

Az,

дают сдвиг в сило72

вой линии

в основном на расстояниях порядка величины радиуса обмотки а. На таком расстоянии можно в первом приближении пренебречь влиянием кривизны и кручения силовых линий на их сдвиг. Замена токов в широких кольцах бесконечно тонкими токами при выборе

g

5

0

в установке

1

также мало влияет

а 2

на магнитное поле в приосевой области. Таким образом, выбранная модель дает возможность получить оценку сдвига магнитной силовой линии, приближенную к реальным условиям.

Аппроксимируя поле в приосевой области прямого сгленоида при невозмущенных параметрах колец однородным полем

4jr

с

Во в,2„ :г- -| -Zc,

где Z „ - единичный вектор вдоль оси Z, найдем возмущенное поле

BO В„ + В, - Вк, (2)

где В к - поле кольца с центром в точке V О, Z О, расположенного в плоскости Z 0;

5 - поле смещенного кольца.

Компоненты поля В определяют соотношениями

la + г)+ Z Отсюда, учитывая соотношение (1) и переходя для удобства ,к безразмерГ Z

ным переменным -, -, получим выраже3, Э,

НИН для Bj,, В , в приосевой области 3z,r,

г Т 1 + гПз/г

.

(1 -t- 7/

2a

где г, a Ь размерные величины. В случае исполь- зования кольца, повернутого на угол

о/ в плоскости (х, z) при несмещенном центре и при малых углах о1( а 4

0,1 рад), можно получить соотношения

В

kv

B.i,-..-g;

- в.

Ь --Йгпл з)

а для координаты х искривленной силовой линии, используя уравнения (4)

и (5) получаем

dx,

dz,

hd 2а

.1(1 z,) 9x;(-i , zj)

9/2

hi 2a

4(1 + z) f,(zj Ч- ,) + .... (6)

Основной вклад в сдвиг силовой линии дает член fo(z. ,); поведение силовой линии без учета f Z ) иллюстри-

руется кривой, кривая 2 - Jfj(

о

соответствует вкладу второго члена

V

при X 1. При х, - 0,3 вкладом

а,

второго члена можно пренебречь. Сдвиг

силовой линии ЛХ х( + а) ) - х(- )

обусловлен первым членом и происходит в основном вблизи данного кольца

на участке - 1 Т Таким образом при независимых угловых смещениях колец приближенно можно считать сдвиги дх силовой линии, создаваемые со- седними кольцами, относительно независимыми. Применяя для оценки сдвига, создаваемого одним кольцом, уравнение (4)

.-4Х

(7)

получим оценку 4x, для полного смещения силовой линии при обходе

пространственного соленоида

h Lai

л X

Пол

„,/N

2

ю

15

)

20

25

30

где L - полная длина пространственного соленоида по осевой линии; N - полное число колец в соленоиде; (/среднее угловое смещение колец.

Сравнивая уравнения (7) и (8), видим, что при наличии среди N колец, установленных со средней угловой ошибкой о, одного кольца с регулируемым наклоном можно скомпенсировать уход магнитной оси от расчетного положения, задав соответствующий угол наклона з регулируемого кольца, причем величина этого угла оценивается соотношением

al . (9)

При N /100 на полном обходе установки можно поставить несколько регулируемых колец, чтобы избежать больших отклонений 0.

Сдвиги центров колец мало влияют на сбой магнитных силовых линий по сравнению с угловыми сдвигами. Получим уравнение для сдвига силовой линии в зависимости от сдвига центра кольца dz вдоль оси z и dx вдоль оси X в безразмерных переменных

dxi h , j. 3z,

35

ЛГ

г

45

х50, 55

d, 2а xi 2ТТ d3z,

+ z

и/ч

dz,x,«

(10)

dz,(l + z /p Отсюда получим зависимости x(z), иллюстрируемые кривой 3 (сдвиг с/ цент- ра кольца по радиусу) и кривой 4 (сдвиг по оси). Сдвиг (оо) х(-оо) для этих случаев в первом приближении равен нулю. Следовательно, основной сбой магнитных силовых линий обусловлен угловым сдвигом колец.

Подбор величины и ориентации сдвига может быть осуществлен автоматически с помощью программы на ЭВМ, выбирающей оптимальные параметры сдвигов регулирующих колец от одного рабочего импульса установки к другому при штрафе за малый выход нейтронов и при поощрении за хороший. В критерий оптимизации могут войти, например, среднее время жизни дейто- нов в цикле или энергетическая цена нейтрона.

В качестве примера можно привести термоядерную установку с магнитной ловушкой, имеющей шесть периодов.

восходила 0,1 мм, т.е. была меньше лх 0,4 мм из-за углового сбоя d 0,001 рад. Тогда должны выполняться условия

ль

2а

.0,1

/zh ,х мм, ( - 2а а

()/0,1

мм

Тор, на поверхности которого лежит пространственная ось ловушки, имеет следующие геометрические параметры: большой радиус 130 см, малый 23,5 см. Каждый период имеет 20 катушек, а вся установка содержит 120 катушек. Полная длина ловушки по осевой линии составляет 1256 см. Согласно уравнениям (7) и (8) можно оценить ну сдвига, создаваемого одним кольцом, которая равна Лх с; 0,4 мм, и величину полного смещения силовой линии в установке полн см. Между тем расчет сдвига магнитной оси ядерной установки,достаточно сделать

лх д относительно геометрической оси за счет натяжения силовой линии показывает, что лх д,„ : 2 см. Поскольку сдвиг соседних магнитных силовых линий по уравнению (6) скорре- 20 лирован со случайным сдвигом данной линии (как показьшают расчеты с точностью до членов порядка г сдвиги соседних линий одинаковы по направлению и величине), а общая геометрия 25 системы ввиду большого кручения силовых линий имеет тенденцию к образованию устойчивых конфигураций (сдвиг

лх приводит в первом приближении просто к смещению магнитной оси и зо окружающих ее магнитных поверхностей) то есть основание полагать, что сдвиг

dx прли порядка 5 мм мало скажется на условия работы установки в режиме плотнбй плазмы (,l). Действитель„ п 1 X ср „т При тс- 7- и - 0,3, 2а 4 а

получим f 0,8 мм; ,3мм.

Дпя того, чтобы в существенной мере скомпенсировать сбой магнитных силовых линий на полном обходе термо

2-3 кольца из 120 с регулируемым, наклоном, поскольку сдвиги отдельных силовых линий сильно скоррелированы в силу линейного характера зависимос ти полного сдвига /) X от отдельных сдвигов Лх для разных колец. Так при о 0,01 рад достаточно углового сдвига и 1 Рад на одном

perрегулир5тощем витке или al на двух регулирующих витков.

рег

.0,05 рад

Формула изобретения

Способ юстировки тороидальной магнитной системы для удержания плазмы, состоящей из дискретных соленоидов, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса юстировки, осуществляют угловое смещение по крайней мере одного из соленоидов во взаимно перпендикулярных плоскостях на углы oi 2 4x/h и 2 лу/h, где х и йу - смещения магнитной оси относительно расчетно- .Q го. положения, измеренные в сечении юстируемой катушки; h - расстояние между центрами дискретных соленоидов по оси магнитного поля системы.

35

но,- в этом случае собственные поля плазмы могут составлять около 0,1-2 В, и соответственно возмущение магнитных силовых линий этими полями больше, чем возмущение, сносимое сбоем колец в соленоиде. Потребуем, чтобы амплитуда колебаний силовой линии

из-за с/х и (уравнение (9) не превосходила 0,1 мм, т.е. была меньше лх 0,4 мм из-за углового сбоя d 0,001 рад. Тогда должны выполняться условия

ядерной установки,достаточно сделать

ль

2а

.0,1

/zh ,х мм, ( - 2а а

()/0,1

мм.

ой установки,достаточно сделать

ядерной установки,достаточно сделать

„ п 1 X ср „т При тс- 7- и - 0,3, 2а 4 а

получим f 0,8 мм; ,3мм.

Дпя того, чтобы в существенной мере скомпенсировать сбой магнитных силовых линий на полном обходе термоядерной установки,достаточно сделать

2-3 кольца из 120 с регулируемым, наклоном, поскольку сдвиги отдельных силовых линий сильно скоррелированы в силу линейного характера зависимости полного сдвига /) X от отдельных сдвигов Лх для разных колец. Так при о 0,01 рад достаточно углового сдвига и 1 Рад на одном

perрегулир5тощем витке или al на двух регулирующих витков.

рег

.0,05 рад

Формула изобретения

Способ юстировки тороидальной магнитной системы для удержания плазмы, состоящей из дискретных соленоидов, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса юстировки, осуществляют угловое смещение по крайней мере одного из соленоидов во взаимно перпендикулярных плоскостях на углы oi 2 4x/h и 2 лу/h, где х и йу - смещения магнитной оси относительно расчетно- го. положения, измеренные в сечении стируемой катушки; h - расстояние ежду центрами дискретных соленоидов по оси магнитного поля системы.

Фи,г2

Составитель В. Чуянов Редактор М. Стрельникова Техред М.Ходанич

Заказ 1201Тираж 395Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

КорректорА.Обручар

Изобретение относится к физике плазмы и исследованиям по управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано при конструировании и наладке тороидальных магнитных систем,. состоящих из дискретных соленоидов, в частности систем с пространственной магнитной осью. Целью изобретения является упрощение процесса юстировки. Для юстировки достаточно перемещать лишь одну (или в крайнем случае несколько) из дискрет ных катушек, причем только по угловым координатам. Величина наклона катушки пропорциональна смещению магнитной оси от расчетного положения в плоскости регулируемой катушки и обратно пропорциональна расстоянию между катушками. 2 ил. (Л со to ю 00 sl to