Диагностика плазмы токамака-реактора

1. Диагностика плазмы токамака-реактора К.Ю.Вуколов, НИЦ «Курчатовский Институт» Обзор проблематики (1-ая лекция)

1. Токамак-реактор
(ИТЭР)
2. Особенности
диагностики ИТЭР
3. Классификация
диагностик
4. Инженерные
проблемы диагностики
ИТЭР (интеграция
диагностик)
05.05.2017
1

2.

ВКЛАД РФ В СООРУЖЕНИЕ УСТАНОВКИ ИТЭР
КАБЕЛЬ ДЛЯ КАТУШЕК
ПОЛОИДАЛЬНОЙ
МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ,
КАТУШКА PF1
КОММУТИРУЮЩАЯ
АППАРАТУРА ДЛЯ
СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И
ЗАЩИТЫ
СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ
МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ
АППАРАТУРА
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ
НАГРЕВ ПЛАЗМЫ
КАБЕЛЬ ДЛЯ КАТУШЕК
ТОРОИДАЛЬНОЙ
МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
ПАТРУБКИ ВАКУУМНОЙ
КАМЕРЫ
ЭЛЕМЕНТЫ
ДИВЕРТОРНОГО
ПРИЕМНОГО
УСТРОЙСТВА
05.05.2017
СБОРКИ ПЕРВОЙ
СТЕНКИ И ЗАЩИТНОГО
БЛАНКЕТА РЕАКТОРА
2

3. Ground support structure for the Tokamak Complex progresses

February 2012
G. Vayakis, ITER progress, ITPA 22, Moscow ITER_D_
Page 3

4. Основы УТС

Реакция синтеза:
D + T = 4He (3,52 МэВ) + n° (14,06 МэВ)
Критерий Лоусона:
ne tE ~ 1014 см-3с
Температура T > 15 кэВ
Токамак - магнитное удержание плазмы
05.05.2017
4

5. Параметры ИТЭР и размещение диагностик

Diagnostic scope
R (м)
a (м)
Ток плазмы (MA)
- 6.2;
- 2.0
- 15
Объем плазмы (м3) - 815
Bо , (T ) -
5.3
Время горения, (с) > 400
DT Мощность, (МВт) - 500
<Ti>/<Te> (кэВ)
- 8.8/8.0
ne (1020 м-3)
- 1.13
Zeff
- 1.69

6. Тороидальное сечение ИТЭР

05.05.2017
6

7. ИТЭР – экваториальное сечение

05.05.2017
7

8. ИТЭР - особенности диагностики

Назначение диагностического комплекса измерение параметров, необходимых для:
i) управления и защиты (температура стенки, поток нейтронов
и т.п.)
ii) детального управления режимом (форма и положение
плазмы, ток и плотность плазмы и т.д.)
iii) изучения физики плазмы и термоядерного горения
Полное число измеряемых параметров: более 60
Выработаны требования к измерениям:
- динамический диапазон
- точность измерений
- временное и пространственное разрешение
05.05.2017
Необходимое число диагностик: более 40
8

9. ИТЭР - особенности диагностики

1. Высокий уровень радиации
Деградация оптических и других компонент (детекторы,
изоляторы, проводники)
Радиационный нагрев
Требуется защита элементов диагностик и применение
радиационно стойких материалов
2. Трудность доступа датчиков к плазме и персонала к
датчикам
Дистанционное управление и замена
3. Повышенная температура (прогрев камеры до 240°С)
4. Наличие трития и пыли
Двойной вакуумный барьер и меры радиационной
безопасности
5. Большая длительность разряда (до 1000 с)
дрейф электронных компонент
большие флюенсы нейтронов – активация и трансмутация
Основное требование - надежность, надежность и еще
05.05.2017
раз надежность !!!
9

10. Классификация диагностик

Диагностический комплекс ИТЭР включает более 40
индивидуальных методов, базирующихся на современных
знаниях во всех областях физики и последних достижениях
технологии
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Семь групп диагностик:
Магнитные измерения
Нейтронные измерения
Оптические диагностики
Спектроскопические диагностики
Микроволновые диагностики
Болометрические измерения
Контроль состояния внутрикамерных
элементов
05.05.2017
10

11. Диагностики ИТЭР

Magnetic Diagnostics
Vessel Magnetics
In-Vessel Magnetics
Divertor Coils
Continuous Rogowski Coils
Diamagnetic Loop
Halo Current Sensors
Neutron Diagnostics
Radial Neutron Camera
Vertical Neutron Camera
Microfission Chambers (In-Vessel)
Neutron Flux Monitors (In-Vessel)
Gamma-Ray Spectrometers
Neutron Activation System
Lost Alpha Detectors (N/C)
Knock-on Tail Neutron Spectrom.
Optical Systems
Thomson Scattering (Core)
Erosion monitors
Thomson Scattering (Divertor region)
Toroidal Interferom./Polarimetric System
Polarimetric System (Pol. Field Meas)
Collective Scattering System
Bolometric System
05.05.2017
Bolometric Array For Main Plasma
Bolometric Array For Divertor
Spectroscopic and NPA Systems
CXRS Active Spectr. (based on DNB)
H Alpha Spectroscopy
VUV Impurity Monitoring (Main Plasma)
Visible & UV Impurity Monitoring (Div)
X-Ray Crystal Spectrometers
Visible Continuum Array
Soft X-Ray Array
Neutral Particle Analyzer
Laser Induced Fluorescence
MSE based on heating beam
Microwave Diagnostics
ECE Diagnostics for Main Plasma
Reflectometers for Main Plasma
Reflectometers for Plasma Position
Reflectometers for Divertor Plasma
Fast Wave Reflectometry (N/C)
Plasma-Facing Comps and Operational Diag
IR Cameras, visible/IR TV
Thermocouples
Pressure Gauges
Residual Gas Analyzers
IR Thermography Divertor
Langmuir Probes
Diagnostic Neutral Beam
11

12. Диагностики ИТЭР, разрабатываемые в РФ

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Н-альфа спектроскопия
Анализаторы атомов перезарядки
Вертикальная нейтронная камера (ВНК)
Рефлектометрия плазмы со стороны
сильного магнитного поля
Активная спектроскопия плазмы
Томсоновское рассеяние в диверторе
Нейтронный монитор в диверторе
Гамма-спектрометр в составе ВНК
Лазерно-индуцированная флуоресценция
05.05.2017
12

13. Инженерные проблемы диагностики ИТЭР

05.05.2017
К настоящему времени основные
концептуальные решения по
большинству диагностических систем
приняты. На первое место выходят
инженерные проблемы и интеграция
13
диагностик в диагностических портах.

14. Инженерное проектирование портов

Интеграция диагностик в порте
Лидирующая
диагностика
Другие
диагностики
Инженерные
системы в
портах
Другие
системы
ИТЭР
Влияние опасных факторов (гамма и нейтронное излучение
(нагрев, активация и др.), эрозия и пыль, электромагнитные
силы, срывы, сейсмика) вызывает необходимость
моделирования этих процессов и тестов критических
элементов в условиях приближенных к ИТЭР
05.05.2017
14

15. Diagnostic Port Engineering Task

Remaining Analyses
New subjects for analysis
EM Forces for Equatorial port
plug
EM Stresses for Equatorial Port
Plug
Non-Cantilevered Handling
Supported In-Situ
Port Plug Attachment/Seal
Geometry
BSM Design
BSM Attachment Arrangement
Value of Improved Shielding
Port Plug Variants – Diag
Access
Design RH Welded Water
Connection
05.05.2017
Thermo-hydraulic evaluation
Far Forward Module Extension
Electrically Heated Flange Plate
Handling of drawers and tubes.
BSM Coolant Feed - Independent
of Port Plug Structure
Hydraulic Design - Draining and
drying analysis
Documentation
Neutronic Analysis
Procurement Strategy
15

16. Верхние патрубки

VV design is developing
• Sealing may change
• Handling is defined
05.05.2017
16

17. Стандартная процедура конструирования

Референсный дизайн от МО ИТЭР
Доработка конструкции под технологии производства
интеграция диагностик
интеграция с системами патрубка
инженерный анализ конструкции
и расчеты
05.05.2017
17

18.

Изменение во времени ЭМ сил, действующих на порт-плаг
Force (kN)
Force (kN)
240
240
Fx(rad)
200
200
160
160
160
120
120
120
80
80
80
40
40
40
0
0
0
Fz (vert)
-40
200
Fz(vert)
-40
Fy(tor)
-80
-120
-120
-120
-160
-160
-160
Fy(tor)
-200
800
840
880
920
Time (ms)
Результирующая ЭМ сила
Максимальные величины:
Fx(rad)= 209КН,
Fy(tor)= -169КН,
Fz(ver)= 106КН
960
1000
Fx(rad)
-40
-80
-200
3D-модель сечения порт-плага и
идентификация мест контактов
Force (kN)
240
Fx(rad)
Fz(vert)
Fy(tor)
-80
-200
800
840
880
920
960
1000
Time (ms)
ЭМ
силы,
обусловленные
изменениями
величины
и
положения тока плазмы
Максимальные величины:
Fx(rad)= 192КН,
Fy(tor)= -169КН,
Fz(ver)= 97.6КН.
800
840
880
920
960
Time (ms)
ЭМ силы, обусловленные
изменениями тороидального
потока
Максимальные величины:
Fx(rad)= 18.1КН,
Fy(tor)= 1.51КН,
Fz(ver)= -8.87КН.
10
Распределение температуры
прогрева по пробке. Т=42 часа
05.05.2017
18
1000

19. Экваториальные и диверторные патрубки

05.05.2017
19

20. Экваториальные патрубки

05.05.2017
20

21. Generic Equatorial Port Plug

Generic structure
With special cut-outs
05.05.2017
21

22.

Деформация диагностических портов
(stress analysis)
05.05.2017
22

23. Порт 11- пакет РФ NPA - лидирующая диагностика

05.05.2017
23

24.

Q0 ISS/PCSS Example in Port 11
LFS Reflectometry Transmission lines
Bioshield
Port Cell
Cubicles
Cryostat
bellows
Port Cell
structure
Port Cell rails
Support beams (pillars)
Eq.Port Plug 11
Interspace structure
G. Vayakis, ITER progress, ITPA 22, Moscow ITER_D_
Page 24

25. Интеграция диагностик

Диагностики в экваториальном
порт-плаге:
• размещение и уточнение конструкции
• варианты сборки и перемещения
• расчеты (нейтронные, прочностные …)
3 канала H-Alpha в Eq#11
H-Alpha:
3 канала в Eq#11
1 канал в Eq#12
и один канал в Up#2
G. Vayakis, ITER progress, ITPA 22, Moscow ITER_D_
Page 25

26. Порт 1

Eq#01
E01
G01
B01
B07
B10
B10
D01
E04
E11
N01
N02
N04
N06
N07
DIAGNOSTICS
Port Cell
G01-Visible-IR TV
B01-Radial Neutron Camera
B07-Gamma Ray Spectrometers
B10-Bubble Chambers
B10-High Resolution Neutron Specttrometer
D01-Bolometry
E04-Divertor Impurity Monitor
E11-MSE-Core on heating Neutral Beam (HB)4
N01 -In-Vessel Diagnostic Services
Equatorial BSM
N04-Interspace Blocks and Second Enclosures
N06-Ex-Bioshield_ Electrical Equipment
N07-Window assemblies
05.05.2017
package
P11
P11
P11
P11
P11
P11
P21
P17
P12
P10
Bl-xxx
P10
P10
P31
Порт 1
26

27. Порт 3

Eq#03
E02
G01
E01
E11
E02
E05
N01
N02
N03
N04
N06
N07
DIAGNOSTICS+ RH
Port Cell
G01-Visible-IR TV
CXRSwith Diagnositc Neutral Beam (DNB)
E11-MSE-Core on heating Neutral Beam (HB)5
E02-H-Alpha Spectroscopy (Divertor inner)
X-Ray Crystal Spect (Imaging)
N01-In-Vessel Diagnostic Services
Equatorial BSM
N03- Diagnostic Port Plugs & First Closures
N04-Interspace Blocks and Second Enclosures
N06-Ex-Bioshield_ Electrical Equipment
N07-Window assemblies
05.05.2017
package
P12
P11
P02
P12
P5
UnC
P12
Bl-xxx
P12
P12
P12
P31
Порт 3
27

28.

Divertor Impurity Monitor Vis/UV
(CDR on 30-31 May 2012)
Common issues:
• First Mirror protection, shutter, cleaning.
• Stray light analysis
Specific issues:
• Neutron Shielding
• integration in divertor.
G. Vayakis, ITER progress, ITPA 22, Moscow ITER_D_
Page 28

29.

Вариант размещения в диверторе
вертикальной нейтронной камеры

30.

Томсоновское рассеяние в диверторе
Parameter
Range or coverage
Spatial resolution
Te
ne
1 – 200 eV
1019 - 1021 m-3
5cm along leg
Mirror unit #1
(objective)
Time
resolution
20 ms
(50 Hz)
Mirror unit #2
(field )
Prototyping
• Spectral Analytical Equipment
Filter polychromator 5-200 eV
Grating polychromator 1-200 eV
• Laser system 1064nm, 2J, 50Hz, 3ns
• First mirror
• Plasma Cleaning
• Gas Puffing
• Shutter

31.

Параметры плазмы в диверторе
слева – плотность, справа – температура электронов
2
-3
10 MW/m (1511) ne, m
0 mm
2.0E21
1.0E21
5.0E20
1.0E20
5.0E19
1.0E19
5.0E18
-3300
-3900
-4200
2
10 MW/m (1511) Te, eV
0 mm
-4500
4200
4500
4800
5100
200.0
100.0
50.0
30.0
20.0
10.0
5.0
3.0
2.0
1.0
0.3
0.1
-3300
5400
R, mm
-3600
Z, mm
Z, mm
-3600
-3900
-4200
-4500
4200
4500
4800
R, mm
5100
5400

32. Заключение Диагностический комплекс ИТЭР – сложнейшая научно-инженерная система В настоящее время на первое место выходит проблема конс

Заключение
Диагностический комплекс ИТЭР – сложнейшая
научно-инженерная система
В настоящее время на первое место выходит
проблема конструирования и интеграции диагностик
в портах
Это требует проведения комплексных расчетов
(нейтронные, термические, электромагнитных сил и
др.) параллельно с разработкой конструкторской
документации
Продолжается работа по созданию макетов и их
апробации на стендах и действующих установках
05.05.2017
32