Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

Система радиочастотного нагрева ITER I

Аватар пользователя Лектор

Давно я не писал ничего нового про ITER, что ж, попробую исправится и начать вновь публиковать статьи регулярно. Так же попробую упорядочить ситуацию с картинками, выкладывая их более надежный хостинг.


Итак, в одной из предыдущих статей я рассказывал про инжектор нейтрального луча - систему нагрева плазмы пучком нейтральных атомов, разогнанных до 1 МэВ. Эта система отвечает за 33 мегаватта греющей мощности из общей возможности в 73. Еще 40 мегаватт поровну разделено между двумя радиочастотными подсистемами, работающих соотвественно на частоте ионного циклотронного резонанса (ИЦР) и электронного циклотронного резонанса (ЕЦР). Называются они соотвественно ICRH и ECRH (radiofrequency heating). По принципу действия они весьма близки к микроволновке, только та работает на частоте резонансного поглощения вращательных мод молекул воды, а тут речь идет о резонансе с вращением ионов и электронов в магнитном поле токамака.


Для ИТЭР эти частоты (зависящие от величины магнитного поля) получаются 40-55 мегагерц для ICRH и 170 гигагерц для ECRH. Не смотря на разницу частот аж в 4 порядка системы эти довольно схожи - мощные радиоламповые генераторы, высоковольтные источники питания, внешне одинаковые линии передачи мощности и похожие антенны ввода излучения в плазму. Тем не менее есть интересные особенности в реализации.


Рис. 1. Расположение системы ICRH: голубое - генераторы, зеленое - линии передачи, синее - антенны.


Итак, система ICRH мощностью 20 мегаватт, из открыто известных систем будет рекордным источником радиочастотной мощности в своем диапазоне. Система модульная, набранная из 8 + 1 генерирующих модулей по 2.5 мегаватта (1 запасной). Каждый модуль размером примерно с 20 футовый контейнер. В одном таком модуле распологаются две цепочки генератора, согласующие элементы, комбайнер, складывающий радиочастотное излучение ну и оборудование в кубиклах - задающий генератор, управление, защиты, кое-какие вторичные источники питания.


Рис. 2. Модуль генератора.


Ключевым генерирующим элементом является радиолампа - диакрод TH628 производства Thales мощностью от 1.25 до 2 мегаватт в нагрузке в зависимости от КСВ (поскольку нагрузка более чем капризная, ожидается КСВ в диапазоне от 2,5 до 4 после 3(!) ступеней согласования).


Рис. 3. TH628


Для понимания, что за зверюга эта лампа - назову несколько параметров: ток накала 960 А при напряжении 30 вольт, анодное напряжение 30 киловольт, мощность в систему охлаждение 1.8 мегаватта.

Так, как это тетрод, и его усиление относительно невелико (14db), то предвыходной каскад - тоже довольно рекордная лампа мощностью до 125 киловатт, а всего цепочка усиления - это 3 ламповых и 4 транзисторных каскада. Интересно, что для управления согласованием каскадов используются резонансные полости, форма которых меняется электродвигателями, всего в каждой генерирующей цепочке таких электродвигателей 18, а время настройки генератора по согласованию - 3 минуты жужжания серводвигателями, что весьма необычно :)


Что еще более необычно - генераторы будут создаваться, испытываться и инсталлироваться на площадке ITER индийской стороной, хотя, подозреваю, что доля съевших на таких системах не одну собаку европейцев в индийской разработке будет весьма высока :)


Для питания радиогенераторов нужны специализированные высоковольтные источники питания. Кроме того, что они высоковольтные и мощные, они должны обладать двумя свойствами - уметь быстро изменять напряжение питания на лампах (амплитудная модуляция мощности поможет управлять плазмой) и уметь еще быстрее отключатся в случае КЗ в системе. Вообще последний пункт можно найти в любых мощных источниках питания в ИТЭР - стандартное требование - это отключение за 10 мкс и остаточное энерговыделение не больше 10 джоулей.




Рис. 4. Идея работы PSM


Наиболее совершенная используемая схема в таких случаях - pulse step modulation. В этом случае от единого трансформатора делается десяток-другой не очень высоковольтных отводов, на каждый из которых вешается AC/DC блок питания, напряжением 1 киловольт и полным током системы (например 100 ампер). В каждом таком блоке имеется ключ, которым можно замкнуть накоротко выводы. Эти блоки объединяются последовательно по напряжению, и соотвественно могут либо поднимать общее напряжение на 1 киловольт, либо в выключенном состоянии и с замкнутым выходом отключатся от системы. Этот прием позволяет очень быстро модулировать выходное напряжение. Выглядят такие блоки питания вот так:


рис 5. PSM источник Ampegon


Естественно, кроме основного 4 мегаваттного БП в системе нужно много относительно небольших источников питания для управляющих и экранных сеток ламп, накальные источники тока, питание для полупроводников и т.п.

После того, как мы превратили полезное электричество в бесполезные радиоволны, необходимо их собрать от генераторов, и передать на антенны, либо на эквиаленты нагрузки. Радиомощность передается по коаксиальным проводникам, диаметром 300 мм. Эти коаксиальные линии способны передавать до 6 мегаватт мощности, а изолирующей средой работает азот под давлением 3 атмосферы. При работе на мощности разность потенциалов будет достигать 40 киловольт, опять же рекордная величина для коаксиальных линий. Для такой линии приходится разрабатывать и соотвествующие элементы - разветвители, разъемы, выключатели и т.п. Всей темой линий передачи занимается ITER USA.


Рис. 6. Элементы "коаксиального кабеля"

После генерации и маршрутизации излучения важной задачей является согласование импеданса между коаксиальной линией и плазмой, при этом характеристики нагрузки сильно меняются как сами по себе так и в результате работы системы ICRH. Для непрерывного согласования используются коаксиальные трансформаторы со скользящими звеньями, которые непрерывно подстраивают импеданс под изменение ситуации.


Рис. 7. То, чего вы никогда не увидите в антенном кабеле своего ТВ.


Рис. 8. Антенна ICRH мощностью 10 мегаватт. 

Согласующие трансформаторы, вакуумно-газовые переходы, сама антенна, защита ее от излучения и дугового разряда в результате выпрямления РЧ излучения плазмой, расчет электромагнитных сил от плазмы, работа всего этого хозяйства при температуре до 250 градусов - это тема многолетней исследовательской работы европейского агенства ITER.



Рис. 9. Исследовательский стенд французкого атомного агенства


Рис. 10. Инженерная модель антенны.

Очередной случай, когда “попил народных денег” позволяет создавать продукты, нужные для военных и гражданских, улучшать расчетные методики, лучше понимать пределы инженерии радиочастотных систем высокой мощности.


Рис. 11. Расчет взаимодействия РЧ-излучения с плазмой.


Во второй части этой статьи мы сравним “гудящую канализацию” низкочастотной ICRH с “лазерным мечом” 170 гигаггерцовой ECRH.


P.S. ITER IO выпустили коротенькое, но интересное на мой взгляд видео с пролетом через инженерную модель будущего реактора.



Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя гордей
гордей(5 лет 7 месяцев)(01:36:25 / 28-02-2015)

Позновательно ,спасибо.

Аватар пользователя Matroskin
Matroskin(5 лет 10 месяцев)(01:45:13 / 28-02-2015)

Круто.

Иногда задумываюсь, вот откопают из песка такую установку наши потомки, лет через 300. Чистая техномагия, как оно работало, для чего предназначалось и как сделано? Вот будут спорить :)

А вообще сложность всей установки поражает. Когда люди не в теме мне говорят, что вот запустят ITER и всем наступит счастье и эра халявной энергии я только улыбаюсь.

Аватар пользователя Савва
Савва(5 лет 11 месяцев)(02:10:58 / 28-02-2015)

.

Аватар пользователя Савва
Савва(5 лет 11 месяцев)(02:09:52 / 28-02-2015)

Не-а. Все будет не так. Лет через пятьсот вся нутрянка мелкая сгниет, частично растащат на продажу, потом на сувениры, потом в качестве каких-нить талисманов или оберегов, а вот потом появимся мы и будем разглядывать какой-нить новейший Стоунхендж или дольмены краснодарские и репу чесать, что же это такое предки наши далекие изобразить хотели.

Наверно, усыпальница для кровавого и жестокого тирана Путейна, который по некоторым сохранившимся британским хроникам любил кушать на завтрак белых младенцев.

Аватар пользователя Скорпион
Скорпион(4 года 2 недели)(02:23:51 / 28-02-2015)

Спасибо. Очень интересно.

Аватар пользователя Dark Side
Dark Side(5 лет 2 месяца)(02:44:58 / 28-02-2015)

Ничто не способно заменить гравитацию(c)


Пустая трата сил и слив в никуда усилий тысяч талантливых ученых. Как в свое время с Лаврентьевым.

Аватар пользователя digger2012
digger2012(5 лет 8 месяцев)(09:35:37 / 28-02-2015)

А с этою плазмой

Дойдешь до маразма

И это довольно почетно(с)

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(09:37:17 / 28-02-2015)

А кто такой Лаврентьев, что его можно сравнить с ИТЭР?

Аватар пользователя Dark Side
Dark Side(5 лет 2 месяца)(13:13:40 / 28-02-2015)

Создатель водородной бомбы и исходной идеи токамака.

http://aftershock.news/?q=node/274784

Аватар пользователя Школьник
Школьник(2 года 8 месяцев)(13:35:12 / 28-02-2015)

Лаврентьев.

Солдат со средним советским образованием указал на ядерную реакцию, обеспечившую создание термоядерной бомбы.

В частном порядке получил высшее образование, был приближен к Атомному Проекту.

Мечтал об управляемом термояде (магнитное удержание плазмы). После убийства Сталина и Берии вытеснен на Украину.

Умер практически неизвестным.

Аватар пользователя vpl1
vpl1(2 года 10 месяцев)(04:16:53 / 28-02-2015)

Всетаки человечество не сидит на месте, все ищет пути изощренно себя зажарить

Аватар пользователя layaratan15
layaratan15(2 года 9 месяцев)(07:42:33 / 28-02-2015)

интересно, очень...

надеюсь и дальше будете тут публиковать материалы по теме

Аватар пользователя Greit
Greit(5 лет 4 месяца)(09:06:00 / 28-02-2015)

Великолепные материалы! Хорошо бы также давать все ссылки на предыдущие статьи из этой серии.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(09:33:27 / 28-02-2015)

Хорошо, пока же можно открыть список моих постов - там в основном про iter.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(09:31:48 / 28-02-2015)

Кстати, забыл написать про КПД: он ожидается в диапазоне 45-55% в зависимости от согласования. Очень высокий КПД, для похожих систем накачки ускорителей обычные значения 35-45, на частотах порядка 5-20 ГГц. Что интересно, что основные потери - 30% от входной мощности происходят в выходной радиолампе и связаны с так сказать инерционностью электронов.

Кстати, этот КПД - довольно принципиальная проблема, например, в Острецовском проекте ЯРТ.

Аватар пользователя ury
ury(5 лет 3 месяца)(12:00:53 / 28-02-2015)

Рановато Лектор вы вылезли со своей статьей - основная масса не заметит или забудет на фоне сегодняшних (точнее пятничных и 1 Мартовских) событий в стране

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(12:18:17 / 28-02-2015)

Всегда будет что-то мешать.

Аватар пользователя maxvlad
maxvlad(5 лет 10 месяцев)(13:03:16 / 28-02-2015)

Вообще-то, очень своевременная статья. Настоящие ценности - не шум всякий.

Аватар пользователя maxvlad
maxvlad(5 лет 10 месяцев)(13:31:25 / 28-02-2015)

Лампа на 170 Ггц - я не вполне представляю себе конструкцию. Там же размеры резонаторов - миллиметровые.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(13:57:35 / 28-02-2015)

Завтра будет продолжение про ECRH - увидите конструкцию гиротрона. Она не на резонасах (как, скажем, магнетрон) - слегка похоже на ЛБВ.

Аватар пользователя Виктор П
Виктор П(5 лет 14 часов)(16:57:37 / 28-02-2015)

Судя по картинкам, радиочастотный нагрев будет происходить только в двух точках. А как распределить его по всему плазменному тору?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(17:39:20 / 28-02-2015)

Ну, у плазмы есть организованное движение по кругу, поэтому нагретые ионы разносят энергию по тору практически мгновенно. Тем не менее величина температурных перекосов является ограничиющей для мощности ICRH.

Аватар пользователя Виктор П

Когда говорят о "токе, протекающем по плазменному шнуру"  (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA%E0%EC%E0%EA), имеется в виду, что это сам шнур как целое вращается как колесо, и создает этот ток?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(17:57:23 / 28-02-2015)

Да, можно так себе и представлять. Движение частиц там в целом более сложное, но то что плазма крутится вокруг вертикальной оси как колесо - это одна из основных составляющих.

Аватар пользователя Виктор П

Ионы в одну сторону, электроны - в другую?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(19:02:54 / 28-02-2015)

Никогда не задумывался, но по идее да, в противоположенные, иначе ток будет нулевой. Ну и вклад электронов явно выше.

Аватар пользователя nord_1
nord_1(5 лет 4 месяца)(18:36:01 / 28-02-2015)

Благодарю за тему. Мне, среднему технарю, на старости лет очень интересно.

Аватар пользователя Killermann
Killermann(2 года 10 месяцев)(21:49:10 / 28-02-2015)

Лектор, есть ли новые слухи про пробкотрон Локхидов ? 

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:51:44 / 28-02-2015)

Специально не слежу, но нигде не видел. Впрочем, может так случится, что больше мы никогда про сей девайс не услышим :)

Аватар пользователя Jeriho
Jeriho(2 года 12 месяцев)(23:26:28 / 28-02-2015)

поискал в ответах: "...а не ёбнет?", не нашёл... 

Сильно волнуюсь за человечество!

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(00:17:42 / 01-03-2015)

Здесь не матерятся. Отвечая на ваш вопрос - к сожалению термоядерная реакция останавливается от любого чиха, а накопленная энергия термоядерной плазмы в токамаке будет примерно в 200 раз меньше, чем циркулирующая в остальных системах реактора. Т.е. если что-то и произойдет, то это будет обычная, не ядерная проблема.

Аватар пользователя zom
zom(5 лет 11 месяцев)(16:56:46 / 05-03-2015)

Спасибо, очень интересно читать)  

но вот не все моменты понятны. Например согласование импеданса - для чего?

Единственное что приходит в голову - чтоб не было отражения излучения на границе сред. Хот явообще не могу себе представить эту границу. точнее какие там границы - кабель коаксиальный/антенна/вакуум/плазма (или что-то еще есть между). Вообще не очень понятно как излучение попадает в плазму (насколько и как именно прицельно и куда оно потом может отражаться и рассеиваться, а сколько поглощаться на резонансе ионами). Моего понимания процесса явно недостаточно, при таких энергиях кажется этовсе очень сложно. кабы не разнесло все к едрене фене (как раз не плазму, а все вокруг) от неточной настроки.

Ну и про электронные резонансы подобные вопросы, хотя там, как понимаю про волновые сопротивления речи уже не идет.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(17:40:39 / 05-03-2015)

>Например согласование импеданса - для чего?

>Единственное что приходит в голову - чтоб не было отражения излучения на границе сред.

Ну да. Отраженная энергия на границе двух сред будет равна Z1/Z2, где Z1 - импеданс среды номер один, а Z2 - второй.  Импеданс плазмы очень невелик - примерно 3 ома, генератору придется работать на, фактически КЗ, а с максимальным КПД он будет работать на нагрузку хотя бы 50..100 ом. Поэтому используются трансформаторы.

>Хот явообще не могу себе представить эту границу. точнее какие там границы - кабель коаксиальный/антенна/вакуум/плазма (или что-то еще есть между). 

Вакуумированная лампа работает на газонаполненный коаксиальный кабель, который приходит к содинению с вакуумированным коаксиальным кабелем, который подсоединен к антенне, которая светит на плазму.

>Вообще не очень понятно как излучение попадает в плазму (насколько и как именно прицельно и куда оно потом может отражаться и рассеиваться, а сколько поглощаться на резонансе ионами). 

Я переодически встречаю, что как раз вот задача создания правильного распределения ЭМ энергии в ближней зоне антенны для ICRH - одна из самых сложных. Именно по ней основная масса ниокров, куча разных дизайнов антенн, куча испытаний. Но в подробностях не расскажу.

>Моего понимания процесса явно недостаточно, при таких энергиях кажется этовсе очень сложно. кабы не разнесло все к едрене фене (как раз не плазму, а все вокруг) от неточной настроки.

Все эти системы включаются сначала на маленькой мощности, подстраиваются, а потом уже повышают энергию. Причем это делается в автоматическом режиме, и как раз в этом плане здесь никаких особых сложностей. Хотя методологически все это проработать и обосновать, что ничего не сгорит - да, это занимает 10 лет.

>Ну и про электронные резонансы подобные вопросы, хотя там, как понимаю про волновые сопротивления речи уже не идет.

В смысле про вторую систему - ECRH? Нет, там все ровно то же самое, только трансформаторы не коаксиальные, а какие-нибудь на объемных резонаторах, как это обычно выглядит в волноводной технике. Ну и кроме того, у них ближние зоны очень маленькие, поэтому главенствуют оптические методы. В целом, с точки зрения расчетов это примерно одно и то же. 

 

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...