ДИАГНОСТИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ - ТОКАМАКЕ
Драпико Евгений Анатольевич
Научный руководитель: Ясельский Владимир Карпович, к. т. н., до-цент, каф. 24, ФТФ, ТПУ
Томский Политехнический Университет, г.Томск, Россия
Прогресс в области управляемого термоядерного синтеза во многом определяется развитием систем диагностики термоядерной плазмы. Одной из важнейших задач диагностики является получение детальной информации о радиационных потерях, имеющих место практически на протяжении всего плазменного разряда. В термоядерных установках типа токамак значительная доля мощности нагрева уносится линейчатым излучением примесей - в основном в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и мягкой рентгеновской областях спектра, а часть уносится нейтральными частицами.
Это обусловило необходимость создания для проектируемого в настоящее время термоядерного реактора КТМ республики Казахстан, наряду с другими диагностическими системами подсистемы диагностики, предназначенной для измерения профиля и эволюции радиационных потерь, а также для изучения транспорта потерь в плазме.
Разработка данной подсистемы предполагает синтез её структуры, выбор технических средств реализации подсистемы и прежде всего средств восприятия и обработки информации, а также выбор методов и алгоритмов для определения интегральных значений энергетических потерь и их пространственно временного распределения.
Так как структура и характеристики любой измерительной системы определяются в первую очередь характеристиками элементов восприятия информации, поэтому был проведён глубокий анализ существующих в настоящее время детекторов излучения. Выбор детекторов для решения рассматриваемой здесь задачи определяется в первую очередь требуемым динамическим и спектральным диапазоном измеряемой величины. Исходя из проведённого анализа, нами было рекомендовано использование в качестве средств восприятия болометров и пироэлектрических приёмников излучения. Построение комбинированной системы с использованием обоих типов детекторов позволяет охватить весь динамический диапазон изменения величины потерь. При этом болометры как более инерционные детекторы, ориентированы в разработанной подсистеме для измерения статических характеристик, а пироэлектрические детекторы - для измерения динамики энергетических потерь во время подъёма и спада тока плазмы, а также для измерения высокочастотных флуктуаций потерь во время стационарного режима работы термоядерной установки.
Для обеспечения требуемой точности измерений и подавления влияния внешних помех, характерных для установок типа токамак, было предложено для измерения сопротивления болометра помещать в одном болометрическом элементе два разделённых изоляционным слоем идентичных термосопротивления. Два таких болометрических элемента, соединённых соответствующим образом, образуют электрический мост. При этом один из элементов является измерительным, другой опорным. Несколько таких болометрических элементов располагается на одной изолирующей пленке, и составляют болометрическую линейку. Такой подход обеспечивает близость параметров элементов болометрического моста между собой и позволяет значительно уменьшить размеры болометрического модуля, а также свести к минимуму влияние фонового излучения и магнитного поля. Условия измерений на термоядерных установках рассматриваемого типа характеризуются наличием мощных электромагнитных и тепловых полей, а также нейтронного и гамма-излучения, что требует особых решений при реализации измерительных каналов. В связи с этим в работе предложено использовать двойную экранировку линий связи, гальваническое разделение измерительных цепей (нужно обеспечить гр на 2 кв), применение измерительной схемы с компенсацией фонового излучения. Кроме этого, для обеспечения высокого быстродействия измерительных каналов, было предложено использовать в измерительной цепи синхронные демодуляторы.
На основании проведённого анализа информационных потоков, требуемой пропускной способности и анализа возможных решений была разработана структурная схема подсистемы диагностики радиационных потерь и выбраны технические средства её реализации. Для обеспечения эффективной обработки больших объёмов информации в ограниченные интервалы времени пусковых импульсов предложена реализация подсистемы диагностики в составе информационно-измерительной системы КТМ
в виде четырёхуровневой структуры с разделением задач по соответствующим уровням: восприятие информации, первичная обработка, оцифровка - на нижних уровнях подсистемы и обработка, представление, хранение - на верхних. Для достижения требуемой точности и быстродействия на нижних уровнях подсистемы предложено использовать программируемую магистрально-модульную систему VME. Благодаря широкой номенклатуре модулей стандарта VME, реализованная в данном стандарте подсистема обладает достаточной гибкостью, и возможностью дальнейшего усовершенствования и расширения.Для решения задачи реконструкции поля радиационных потерь широко используется линейно-аддитивный алгебраический метод, позволяющий свести данную задачу к решению системы линейных алгебраических уравнений. Однако, проведённая совокупность вычислительных экспериментов показала, что указанный метод не обладает достаточной точностью. В связи с этим были разработаны усовершенствованная методика и алгоритм, базирующиеся на использовании интерполяционных квадратурных формул, позволяющие повысить точность реконструкции пространственно-временного распределения в среднем в три раза. Помимо указанного, в отличие от линейно-аддитивного алгебраического метода, разработанный метод позволяет получить значение локальных излучательных характеристик в точках, а не в зонах.
Наряду с вышеизложенным, на основании выполненных исследований было разработано техническое задание на создание подсистемы диагностики радиационных потерь для термоядерной установки КТМ.
e-mail: asf@asf.e-burg.ru