RU2702137C1 - Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak - Google Patents
Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak Download PDFInfo
- Publication number
- RU2702137C1 RU2702137C1 RU2018132882A RU2018132882A RU2702137C1 RU 2702137 C1 RU2702137 C1 RU 2702137C1 RU 2018132882 A RU2018132882 A RU 2018132882A RU 2018132882 A RU2018132882 A RU 2018132882A RU 2702137 C1 RU2702137 C1 RU 2702137C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- current
- tokamak
- signals
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21B—FUSION REACTORS
- G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к способам формирования систем магнитного управления формой и током плазмы с обратной связью в токамаках, а именно к способам, позволяющим имитировать замкнутые системы управления положением, током и формой плазмы с кодом восстановления равновесия плазмы в обратной связи по результатам экспериментальных данных, и может быть применено для стабилизации положения сепаратрисы плазмы при отражении действия возмущений типа малого срыва в токамаках.The invention relates to methods for forming magnetic systems for controlling the shape and current of a plasma with feedback in tokamaks, and in particular to methods for simulating closed-loop control systems for the position, current and shape of a plasma with a code for restoring plasma equilibrium in feedback based on the results of experimental data, and can be It is used to stabilize the position of the plasma separatrix when reflecting the action of disturbances such as small stall in tokamaks.
Уровень техникиState of the art
Конструкция токамака (тороидальная камера с магнитными катушками) представляет собой трансформатор, в первичную обмотку которого поступает импульс тока от внешнего источника энергии, а плазменный виток является вторичным витком трансформатора, в котором протекает ток, нагревающий плазму (см. фиг. 1). Также для дополнительного нагрева плазмы используются инжекторы нейтральных атомов и СВЧ электромагнитные колебания. Разного сорта неустойчивости плазмы подавляются сильным тороидальным полем, создаваемой обмоткой тороидального поля.The design of the tokamak (toroidal chamber with magnetic coils) is a transformer, in the primary winding of which a current pulse is supplied from an external energy source, and the plasma coil is a secondary coil of the transformer in which the current heating the plasma flows (see Fig. 1). Also, for additional heating of the plasma, injectors of neutral atoms and microwave electromagnetic waves are used. Different types of plasma instabilities are suppressed by the strong toroidal field created by the winding of the toroidal field.
Установлено, что при достижении соответствия критерию Лоусона [2], когда произведение времени удержания плазмы τ на ее плотность n и температуру T достигает определенного уровня:It has been established that upon reaching the Lawson criterion [2], when the product of the plasma confinement time τ and its density n and temperature T reaches a certain level:
начинается реакция синтеза ядер легких элементов с выделением большого количества энергии. Когда происходит слияние ядер дейтерия и трития:the reaction of fusion of the nuclei of light elements begins with the release of a large amount of energy. When the fusion of deuterium and tritium nuclei occurs:
то образуется ядро гелия-4 и нейтрон, который на себе несет 80% энергии синтеза. Ядра гелия-4 остаются в плазме и вносят свою энергию для поддержания термоядерной реакции. Нейтроны поглощаются внешней оболочкой (первой стенкой в реакторе-токамаке), нагревают ее, а затем тепло отводится для дальнейшего превращения его в электроэнергию. Дейтерий-тритиевая смесь (DT) обладает чрезвычайно большой энергоемкостью: 1 грамм DT смеси эквивалентен 10000 литрам нефти.then a helium-4 nucleus and a neutron are formed, which carries 80% of the synthesis energy. Helium-4 nuclei remain in the plasma and contribute their energy to maintain the thermonuclear reaction. Neutrons are absorbed by the outer shell (the first wall in the tokamak reactor), heat it, and then heat is removed to further convert it into electricity. Deuterium-tritium mixture (DT) has an extremely high energy intensity: 1 gram of DT mixture is equivalent to 10,000 liters of oil.
Наиболее популярными и прогрессивными являются токамаки, имеющие тороидальные аксиально симметричные магнитные конфигурации. Токамаки были предложены в СССР, в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова [1], затем распространились по всему миру [2]. Первый токамак был построен в 1954 г.The most popular and progressive are tokamaks having toroidal axially symmetric magnetic configurations. Tokamaki were proposed in the USSR, at the Institute of Atomic Energy. I.V. Kurchatov [1], then spread throughout the world [2]. The first tokamak was built in 1954.
В 2009 г. международным сообществом (Европа, Япония, Россия, США, Южная Корея, Китай и Индия) начато строительство первого в мире токамака-реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) во Франции (г. Кадараш).In 2009, the international community (Europe, Japan, Russia, the USA, South Korea, China and India) began the construction of the world's first ITER tokamak reactor (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) in France (Cadarache).
Для управления формой плазмы, т.е. расположением в пространстве границы плазмы, необходимо по магнитным измерениям вне плазмы восстанавливать распределение плотности тороидального тока плазмы, полоидального магнитного потока и положение сепаратрисы плазмы. При этом настоящая ситуация такова, что не существует определенного сложившегося стандарта на системы управления плазмой, хотя эти системы и развивались в течение пятидесяти лет. Это связано с тем, что все токамаки имеют различные полоидальные системы, различные параметры и различные коллективы, разрабатывающие системы управления плазмой в конкретных токамаках с различными представлениями и степенью квалификации в этой области. Плазма (ионизованный газ) представляет собой многосвязный нелинейный объект с распределенными и переменными во времени параметрами, подверженный различного вида неконтролируемым возмущениям, динамика которого не изучена в полной мере в виду его чрезвычайной сложности. По этой причине данный объект можно отнести к сверхсложным объектам, так как требуется управлять супербольшим количеством заряженных частиц (ионов и электронов) в ограниченном объеме с плотностью порядка 1014 частиц/см3.To control the shape of the plasma, i.e. the location of the plasma boundary in space, it is necessary to reconstruct the distribution of the plasma toroidal current density, poloidal magnetic flux and the plasma separatrix from magnetic measurements outside the plasma. Moreover, the current situation is such that there is no definite standard for plasma control systems, although these systems have been developing over the course of fifty years. This is due to the fact that all tokamaks have different poloidal systems, different parameters and different teams developing plasma control systems in specific tokamaks with different ideas and degrees of qualification in this area. Plasma (ionized gas) is a multiply connected nonlinear object with distributed and time-varying parameters, subject to various types of uncontrolled disturbances, the dynamics of which have not been fully studied in view of its extreme complexity. For this reason, this object can be attributed to extremely complex objects, since it is necessary to control a super-large number of charged particles (ions and electrons) in a limited volume with a density of about 10 14 particles / cm 3 .
Более того, в вытянутых по вертикали токамаках, в частности, в ИТЭР, из-за неустойчивости плазмы по вертикали и ограниченности управляющих воздействий область управляемости в пространстве состояний модели плазмы ограничена и относительно невелика. Из-за этого неконтролируемые возмущения могут в любой момент вывести систему из области управляемости, что приведет к потере системой управления устойчивости.Moreover, in vertically elongated tokamaks, in particular, in ITER, because of the vertical instability of the plasma and the limited control actions, the controllability region in the state space of the plasma model is limited and relatively small. Because of this, uncontrolled disturbances can at any time take the system out of the control domain, which will lead to the loss of the stability control system.
В токамаке-реакторе типа ITER (Франция) или термоядерной электростанции типа DEMO (Япония) потеря устойчивости системой управления плазмой ведет к аварии: прожиганию камеры токамака и выбросу энергии высокотемпературной плазмы наружу. Выходом из этой ситуации является разработка таких систем управления плазмой, которые бы могли надежно противостоять плазменным возмущениям и гарантированно удерживать плазму в области управляемости, обеспечивая необходимую точность управления.In an ITER type tokamak reactor (France) or a DEMO type thermonuclear power station (Japan), the loss of stability by a plasma control system leads to an accident: a tokamak chamber burns out and high-temperature plasma energy is released to the outside. The way out of this situation is the development of such plasma control systems that can reliably withstand plasma disturbances and are guaranteed to hold the plasma in the control region, providing the necessary control accuracy.
На основании сказанного, изучение плазмы в токамаках как объекта управления сложной физической природы, построение ее моделей по экспериментальным данным и с использованием законов физики плазмы, разработка методов достоверной диагностики плазмы по магнитным измерениям вне плазмы, разработка, исследование и применение в физическом эксперименте эффективных систем автоматического управления плазмой в условиях наличия неконтролируемых внешних воздействий, наличия неполной возможной информации, ограниченности ресурсов управления и множественности критериев оценки управления, развитие методики изучения плазмы, методики построения и моделирования систем диагностики и управления плазмой представляет собой важную и актуальную задачу.Based on the foregoing, the study of plasma in tokamaks as an object of control of a complex physical nature, the construction of its models according to experimental data and using the laws of plasma physics, the development of methods for reliable plasma diagnostics by magnetic measurements outside the plasma, the development, study and application of effective automatic systems in a physical experiment plasma control in the presence of uncontrolled external influences, the presence of incomplete possible information, limited management resources, and The multiplicity of criteria for evaluating control, the development of a methodology for studying plasma, and methods for constructing and modeling diagnostic and plasma control systems is an important and urgent task.
Все вышеуказанные токамаки имеют общее сходство, состоящее в том, что они являются вытянутыми по вертикали, но все они отличаются друг от друга полоидальными системами, т.е. выполнением конструкций систем обмоток, создающих полоидальные поля. При этом известны обобщенные схемы магнитного управления положением, током и формой плазмы в токамаках.All the above tokamaks have a common similarity, consisting in the fact that they are elongated vertically, but they all differ from each other by poloidal systems, i.e. the implementation of the designs of winding systems that create poloidal fields. Moreover, generalized magnetic control schemes for the position, current, and shape of the plasma in tokamaks are known.
Для моделирования таких систем применяют полные модели плазмы в токамаке, основанные на нелинейных плазмо-физических кодах типа TSC, CORSICA (США), TOSCA (Япония), MAXFEA (Италия), PET, DINA (Россия). Данные коды для получения равновесия плазмы решают уравнение Града-Шафранова [6, 7]. Это дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка в цилиндрических координатах с учетом аксиальной симметрии плазмы, связывающее распределение плотности тороидального тока плазмы Jϕ с распределением создаваемого им полоидального потока ψ, которое выглядит следующим образом:To simulate such systems, complete tokamak plasma models are used, based on nonlinear plasma-physical codes such as TSC, CORSICA (USA), TOSCA (Japan), MAXFEA (Italy), PET, DINA (Russia). These codes for obtaining plasma equilibrium solve the Grad – Shafranov equation [6, 7]. This is a second-order partial differential equation in cylindrical coordinates taking into account axial plasma symmetry, relating the distribution of the plasma toroidal current density J ϕ with the distribution of the poloidal flux ψ created by it, which looks like this:
Здесь плотность тороидального тока плазмы Jϕ выражена через газокинетическое давление плазмы р и функцию F, пропорциональную полоидальному току плазмы:Here, the plasma toroidal current density J ϕ is expressed in terms of the gas kinetic plasma pressure p and the function F proportional to the poloidal plasma current:
На действующих токамаках для определения положения плазмы в контуре его стабилизации используется довольно простая магнитная диагностика, основанная на изменении внешнего измеряемого магнитного потока при смещении плазменного шнура. Для определения же сигналов формы плазмы применяются коды восстановления равновесия плазмы, которые могут определять распределение полоидального потока, тороидального тока и положение сепаратрисы.On current tokamaks, a fairly simple magnetic diagnosis is used to determine the position of the plasma in its stabilization circuit, based on a change in the external measured magnetic flux when the plasma cord is displaced. To determine the signals of the plasma shape, codes are used to restore the equilibrium of the plasma, which can determine the distribution of the poloidal flow, toroidal current, and the position of the separatrix.
Равновесие плазмы в токамаке описывается распределением полоидального магнитного потока ψ(r,z) в цилиндрической системе координат (r,ϕ,z) с учетом аксиальной симметрии плазмы. Полоидальный поток ψ в точке Р определяется как магнитный поток на радиан горизонтальной окружности с центром на оси токамака, проходящей через точку Р и ограничивающей площадь S (фиг. 2) [8]:The plasma equilibrium in a tokamak is described by the distribution of the poloidal magnetic flux ψ (r, z) in a cylindrical coordinate system (r, ϕ, z) taking into account axial plasma symmetry. The poloidal flux ψ at point P is defined as the magnetic flux per radian of a horizontal circle centered on the axis of the tokamak passing through point P and bounding the area S (Fig. 2) [8]:
где - вектор индукции магнитного поля, - скалярное произведение индукции и нормали элемента поверхности. Из определения полоидального потока следует, что он должен обращаться в ноль на аксиальной оси и на бесконечности (граничные условия).Where is the magnetic field induction vector, is the scalar product of induction and the normal of a surface element. It follows from the definition of a poloidal flow that it should vanish on the axial axis and at infinity (boundary conditions).
Граница плазмы (сепаратриса) в полоидальной плоскости (вертикальной плоскости, проходящей через ось z) может быть найдена как наибольшая замкнутая линия уровня полоидального потока. В случае, если сепаратриса касается камеры токамака, конфигурацию плазмы называют лимитерной. Если плазма не касается стенок токамака, то говорят, что плазма находится в диверторной фазе. Диверторная фаза также характеризуется наличием на сепаратрисе Х-точки, в которой магнитное поле обращается в ноль. Сепаратриса имеет ветви, которые «входят» в первую стенку токамака или диверторные пластины. Вдоль этих ветвей из плазмы выходят примеси и поглощаются диверторными пластинами. Таким образом, для определения формы плазмы необходимо найти распределение полоидального потока.The plasma boundary (separatrix) in the poloidal plane (the vertical plane passing through the z axis) can be found as the largest closed line of the poloidal flow level. If the separatrix touches the tokamak chamber, the plasma configuration is called the limiting one. If the plasma does not touch the walls of the tokamak, then they say that the plasma is in the divertor phase. The divertor phase is also characterized by the presence on the separatrix of an X-point at which the magnetic field vanishes. The separatrix has branches that “enter” the first wall of the tokamak or divertor plates. Along these branches, impurities exit the plasma and are absorbed by the divertor plates. Thus, to determine the shape of the plasma, it is necessary to find the distribution of the poloidal flow.
Из уровня техники известен способ моделирования систем магнитного управления плазмой в токамаках, в котором сигналы для управления формой плазмы берут непосредственно из полных нелинейных моделей плазмы в токамаках, поскольку коды моделирования плазмы позволяют это сделать при моделировании равновесия плазмы по уравнению Града-Шафранова (Докука В.Н., Кавин А.А., В.Э. Лукаш, М.М. Соколов, P.P. Хайрутдинов, В.А. Хайрутдинова, «Численное моделирование управления плазмой в модернизированном токамаке Т-15», «ВАНТ», Сер. «Термоядерный синтез», 2014, т. 37, вып. 3, с. 56-70). Для удержания плазмы в магнитном поле токамака применяются обмотки полоидального поля, каждую из которых подключают к исполнительному устройству, представляющему собой либо управляемый многофазный тиристорный выпрямитель, либо инвертор напряжения, либо инвертор тока [3] (фиг. 3). Ко входам исполнительных устройств подключают регуляторы PZ-R, PPF, через которые замыкают обратную связь для управления вертикальным Z и R горизонтальным положением плазмы или токами в обмотках полоидального поля и центрального соленоида (внутренний каскад управления). Под обратной связью понимают в терминах настоящей заявки поступление выходного сигнала объекта управления на его вход с некоторым преобразованием, осуществляемым регулятором и исполнительным устройством. Внешний каскад обратной связи образует регулятор для управления током плазмы Ip и зазорами g между сепаратрисой плазмы (магнитной поверхностью, внутри которой удерживается плазма) и первой стенкой токамака.A method is known from the prior art for modeling magnetic plasma control systems in tokamaks, in which the signals for controlling the plasma shape are taken directly from complete nonlinear plasma models in tokamaks, since plasma modeling codes allow this to be done when modeling plasma equilibrium using the Grad-Shafranov equation (Dokuk V. N., Kavin A.A., V.E. Lukash, M.M. Sokolov, PP Khairutdinov, V.A. Khairutdinova, "Numerical simulation of plasma control in the modernized T-15 tokamak", "VANT", Ser. " Thermonuclear Fusion ”, 2014, vol. 3 7,
В данном способе не используют реконструкцию формы плазмы, а именно, восстановление распределения полоидального потока плазмы, плотности тороидального тока плазмы и расположения сепаратрисы. Данный способ реализуют в отсутствие кода восстановления равновесия плазмы в обратной связи, что приводит к недостаточной полноте систем моделирования магнитного управления плазмой в токамаке и отсутствию полной точности восстановления сепаратрисы плазмы.This method does not use reconstruction of the plasma shape, namely, the restoration of the distribution of the poloidal plasma flow, the density of the toroidal plasma current and the location of the separatrix. This method is implemented in the absence of a feedback plasma restoration code, which leads to insufficient completeness of the systems for modeling magnetic plasma control in a tokamak and to the lack of full accuracy in the recovery of plasma separatrix.
Известен способ использования кода восстановления непосредственно на самом токамаке, отраженный на блок-схеме, представленной на фиг. 4. (Q.P. Yuan, B.J. Xiao, «Plasma current, position and shape feedback control on EAST», «Nuclear Fusion», №53, 2013, http://dx.doi.org/10.1088/0029-5515/53/4/043009).A known method of using the recovery code directly on the tokamak itself, reflected in the flowchart shown in FIG. 4. (QP Yuan, BJ Xiao, “Plasma current, position and shape feedback control on EAST”, “Nuclear Fusion”, No. 53, 2013, http://dx.doi.org/10.1088/0029-5515/53/ 4/043009).
При управлении током и формой плазмы в реальном времени на действующих токамаках с вытянутой по вертикали плазмой для определения положения сепаратрисы плазмы применяют коды восстановления равновесия плазмы в реальном времени в замкнутых системах управления (фиг. 4) (см., например, [9-11]). В этих системах на вход кода восстановления поступают сигналы с магнитной диагностики токамака: интегрированные сигналы с магнитных петель, пропорциональные магнитному потоку в заданных точках Ψ, сигналы о магнитном поле В с магнитных зондов (датчиков Мирнова), сигналы с поясов Роговского о токе плазмы Ip, токах в центральном соленоиде ICS и в обмотках полоидального поля IPF. С кода восстановления равновесия на регулятор тока и формы плазмы подаются сигналы о составляющих поля в предполагаемом расположении Х-точки Bz и Br, полоидального потока Ψ и смещении сепаратрисы δg.When controlling current and plasma shape in real time on existing tokamaks with vertically elongated plasma, codes for restoring plasma equilibrium in real time in closed control systems are used to determine the position of the plasma separatrix (Fig. 4) (see, for example, [9-11] ) In these systems, the input of the recovery code receives signals from the magnetic diagnosis of the tokamak: integrated signals from magnetic loops proportional to the magnetic flux at given points Ψ, signals about the magnetic field B from magnetic probes (Mirnov sensors), signals from Rogowski belts about the plasma current I p , currents in the central solenoid I CS and in the windings of the poloidal field I PF . From the equilibrium restoration code, the current and plasma forms are supplied with signals about the field components in the assumed location of the X-point B z and B r , the poloidal flow Ψ and the separatrix shift δg.
На основании уравнения (1) задачу стационарной идентификации (восстановления) равновесия плазмы можно сформулировать, в частности, следующим образом при условии, что в токамаке имеются только магнитные петли [8].Based on equation (1), the problem of stationary identification (restoration) of plasma equilibrium can be formulated, in particular, as follows, provided that the tokamak has only magnetic loops [8].
Требуется найти область плазмы S, распределение тороидального тока Jϕ в ней и создаваемое им распределение полоидального потока, удовлетворяющие уравнению (1) и ограничениям вида:It is required to find the plasma region S, the distribution of the toroidal current J ϕ in it, and the distribution of the poloidal flow created by it, satisfying equation (1) and constraints of the form:
где Ip и Ψi - измеренные значения полного тока плазмы и полоидального потока на магнитных петлях, М - количество измеряющих поток петель.where I p and Ψ i are the measured values of the total plasma current and poloidal flux on magnetic loops, M is the number of loops measuring the flux.
Функции р и F в (1) неизвестны, но зависят только от полоидального потока. Ввиду этого, составляющие плотности тороидального тока плазмы Jϕ могут быть аппроксимированы функциями полоидального потока:The functions p and F in (1) are unknown, but depend only on the poloidal flow. In view of this, the components of the density of the plasma toroidal current J ϕ can be approximated by the functions of the poloidal flow:
Для решения задачи идентификации равновесия используется итерационный метод Пикара. На каждой итерации плотность тока плазмы аппроксимируется линейной комбинацией базисных функций ƒ(ψ) от полоидального потока, полученного на предыдущей итерации. Полоидальный поток в этом случае вычисляется как сумма, определяемая выбранными базисными функциями:To solve the problem of identifying equilibrium, the Picard iterative method is used. At each iteration, the plasma current density is approximated by a linear combination of the basis functions ƒ (ψ) from the poloidal flow obtained at the previous iteration. The poloidal flow in this case is calculated as the sum determined by the selected basic functions:
гдеWhere
Здесь G - функция Грина для уравнения (1), имеющая физический смысл полоидального потока в точке , создаваемого единичным бесконечно тонким кольцевым током с координатами , распределение плотности тока которого имеет вид дельта функции , и выражаемая через эллиптические интегралы первого K и второго рода Е [12]:Here G is the Green's function for equation (1), which has the physical meaning of a poloidal flow at a point created by a single infinitely thin ring current with coordinates whose current density distribution has the form of a delta function , and expressed through elliptic integrals of the first K and second kind E [12]:
Коэффициенты , и токи в катушках Im подбираются на каждой итерации через минимизацию суммы квадратов разностей между рассчитанными и измеренными токами и потоками:Odds , and the currents in the coils I m are selected at each iteration through minimizing the sum of the squared differences between the calculated and measured currents and flows:
Здесь и - рассчитанный и измеренный полные токи плазмы, - измеренные токи в обмотках токамака, - погрешности измерений полоидального потока, тока плазмы и тока в обмотках соответственно.Here and - calculated and measured total plasma currents, - measured currents in the tokamak windings, - measurement errors of poloidal flow, plasma current and current in the windings, respectively.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ создания модели систем магнитного управления плазмой в токамаках (фиг. 3) (Митришкин Ю.В., Коростелев А.Я., Докука В.Н., Хайрутдинов P.P. «Синтез и моделирование двухуровневой системы магнитного управления плазмой токамака-реактора», «Физика плазмы», 2011, том 37. №4. с. 307-349). Модель, полученная в соответствии с указанным способом, не использует кода восстановления равновесия плазмы в обратной связи. Сигналы для управления формой плазмы берутся непосредственно из полных нелинейных моделей плазмы в токамаках, поскольку коды моделирования плазмы позволяют это сделать при моделировании равновесия плазмы по уравнению Града-Шафранова.The closest way to the claimed invention is a method of creating a model of plasma magnetic control systems in tokamaks (Fig. 3) (Mitrishkin Yu.V., Korostelev A.Ya., Dokuka VN, Khairutdinov PP “Synthesis and modeling of a two-level magnetic control system plasma of a tokamak reactor ”,“ Plasma Physics ”, 2011, Volume 37. No. 4. P. 307-349). The model obtained in accordance with the indicated method does not use the feedback plasma restoration code. The signals for controlling the shape of the plasma are taken directly from the full nonlinear plasma models in tokamaks, since the plasma modeling codes allow this to be done when modeling the plasma equilibrium using the Grad-Shafranov equation.
Недостатком такого способа является недостаточная полнота моделирования за счет отсутствия кода восстановления распределения полоидального потока плазмы, плотности тороидального тока плазмы и расположения сепаратрисы, в результате чего при моделировании не учитывается диагностика формы плазмы. Это не дает возможности получить детальное представление о работе полной системы управления формой и током плазмы с кодом восстановления равновесия плазмы в обратной связи.The disadvantage of this method is the insufficient completeness of the simulation due to the lack of a recovery code for the distribution of the poloidal plasma flow, the density of the toroidal plasma current and the location of the separatrix, as a result of which the plasma shape diagnostics are not taken into account in the simulation. This makes it impossible to obtain a detailed idea of the operation of a complete system for controlling the shape and current of a plasma with a code for restoring plasma equilibrium in feedback.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической проблемой заявленного изобретения является преодоление технических недостатков, присущих аналогам, что ведет к необходимости создания способа содания модели магнитного управления плазмой в токамаке обратной связью, реализуемой при помощи кода восстановления, обеспечивающей максимально достоверное распределение полоидального потока плазмы.The technical problem of the claimed invention is to overcome the technical drawbacks inherent in analogues, which leads to the need to create a method for creating a model of magnetic plasma control in a tokamak feedback, implemented using a recovery code that provides the most reliable distribution of the poloidal plasma flow.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности имитации процессов магнитного управления в токамаке, что позволяет, проводя эксперименты на созданной модели, избежать необходимости неоправданной корректировки положения плазмы в реальных токамаках и, как следствие, способствует повышению надежности эксплуатации реальных токамаков за счет использования результатов изобретения.The technical result of the claimed invention is to increase the reliability of the simulation of magnetic control processes in a tokamak, which allows, by conducting experiments on the created model, to avoid the need for unjustified adjustment of the plasma position in real tokamaks and, as a result, improves the reliability of operation of real tokamaks by using the results of the invention.
Заявляемый способ может быть применен для стабилизации положения сепаратрисы плазмы при отражении действия возмущений типа малого срыва в токамаках.The inventive method can be applied to stabilize the position of the plasma separatrix when reflecting the action of disturbances such as small stall in tokamaks.
Поставленная задача решается тем, что способ формирования модели магнитного управления формой и током плазмы с обратной связью в токамаке, включающий имитацию плазмы в токамаке, с исполнительными устройствами, контурами управления положением плазмы и токами в обмотках полоидального поля, моделирование изменения положения сепаратрисы плазмы на диверторной фазе плазменного разряда с использованием многомерного регулятора формы и тока плазмы, включенного в обратную связь, в процессе которого осуществляют изменение значений выходных сигналов регулятора формы и тока плазмы в каждый момент времени в пределах, соответствующих относительно малому отклонению положения сепаратрисы плазмы от заданного, а также измеряют векторы токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака, сигналов на магнитных петлях и зондах, тока плазмы, по полученным значениям которых формируют восстановление равновесия плазмы в токамаке с использованием кода восстановления, для применения его в обратной связи, согласно техническому решению, при формировании обратной связи используют переменные входные и выходные параметры плазмы в токамаке,The problem is solved in that the method of forming a model of magnetic control of the plasma shape and current with feedback in a tokamak, including simulating plasma in a tokamak, with actuators, control circuits for the position of the plasma and currents in the windings of the poloidal field, modeling the change in the position of the plasma separatrix in the divertor phase a plasma discharge using a multidimensional regulator of the shape and plasma current included in the feedback, during which the output values are changed with signals of the regulator of the shape and current of the plasma at each moment of time within the limits corresponding to a relatively small deviation of the position of the plasma separatrix from the given one, and also measure the current vectors in the windings of the poloidal field and the central solenoid of the tokamak, signals on magnetic loops and probes, plasma current, according to the obtained values which form the restoration of plasma equilibrium in a tokamak using the recovery code, for use in feedback, according to the technical solution, when forming feedback using use variable input and output plasma parameters in a tokamak,
при этом входными параметрами являются значения векторов напряжения на обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака, обеспечивающих магнитную связь с плазмой, аthe input parameters are the values of the voltage vectors on the windings of the poloidal field and the central tokamak solenoid, which provide magnetic coupling with the plasma, and
выходные параметры в каждый момент времени представляют собой одномерный массив значений изменения векторов тока плазмы, токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида, сигналы на магнитных петлях и зондах, сигналы, пропорциональные вертикальному и горизонтальному смещению магнитной оси плазмы или центра тока плазменного шнура,output parameters at each moment of time are a one-dimensional array of values of changes in the plasma current vectors, currents in the windings of the poloidal field and the central solenoid, signals on magnetic loops and probes, signals proportional to the vertical and horizontal displacement of the magnetic axis of the plasma or the center of current of the plasma cord,
полученный одномерный массив значений суммируют с аналогичными значениями массива сценарных сигналов, соответствующих заданному расположению сепаратрисы плазмы на диверторной фазе плазменного разряда в каждый момент времени, в результате чего формируют входные сигналы кода восстановления равновесия плазмы, основанного на решении нелинейной обратной краевой задачи, а на выходе кода восстановления получают сигналы, пропорциональные входным сигналам регулятора формы и тока плазмы, которые подают на вход регулятора и тем самым замыкают обратную связь, в результате чего получают полную модель управления формой плазмы в каждый момент времени. Выходные сигналы регулятора тока и формы плазмы соответствуют значениям токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида. Выходные сигналы регулятора формы и тока плазмы подают на вход каскадов управления токами в обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака.the resulting one-dimensional array of values is summed up with similar values of the array of scenario signals corresponding to the given location of the plasma separatrix in the divertor phase of the plasma discharge at each time instant, as a result of which the input signals of the plasma equilibrium restoration code are generated, based on the solution of the nonlinear inverse boundary value problem, and at the output of the code restoration receive signals proportional to the input signals of the regulator of the form and plasma current, which are fed to the input of the regulator and thereby the circuit ie feedback, resulting in a complete management model of plasma form at any given time. The output signals of the current regulator and plasma shape correspond to the currents in the windings of the poloidal field and the central solenoid. The output signals of the regulator of the form and plasma current are fed to the input of the current control cascades in the windings of the poloidal field and the central tokamak solenoid.
Заявляемое изобретение, а также технические решения, являющиеся аналогами, поясняются следующими чертежами. При этомThe claimed invention, as well as technical solutions that are analogues, are illustrated by the following drawings. Wherein
На фиг. 1 - схема токамака с управляющими катушками полоидальных магнитных полей и центрального соленоида (первичная секционированная обмотка),In FIG. 1 is a tokamak diagram with control coils of poloidal magnetic fields and a central solenoid (primary sectioned winding),
на фиг. 2 - схема расположения полоидального потока в токамаке,in FIG. 2 - arrangement of poloidal flow in a tokamak,
на фиг. 3 - блок-схема, известная из аналога (Докука В.Н., Кавин А.А., В.Э. Лукаш, М.М. Соколов, P.P. Хайрутдинов, В.А. Хайрутдинова, «Численное моделирование управления плазмой в модернизированном токамаке Т-15», «ВАНТ», Сер. «Термоядерный синтез», 2014, т. 37, вып. 3, с. 56-70),in FIG. 3 is a block diagram known from the analogue (Dokuka V.N., Kavin A.A., V.E. Lukash, M.M. Sokolov, PP Khairutdinov, V.A. Khairutdinova, “Numerical simulation of plasma control in a modernized Tokamake T-15 "," VANT ", Ser." Thermonuclear Fusion ", 2014, v. 37,
на фиг. 4 - блок-схема системы магнитного управления плазмой в токамаках, известная из наиболее близкого аналога, связанного с реальным физическим экспериментом,in FIG. 4 is a block diagram of a magnetic plasma control system in tokamaks, known from the closest analogue associated with a real physical experiment,
на фиг. 5 - блок-схема способа согласно заявленному изобретению, на фиг. 6 - вертикальные разрезы и поперечные сечения наиболее адаптированных в решении задач управления плазмой зарубежных токамаков, где а) - DIII-D (1.66 м, 0.67 м, 1986, США), б) - JET (3.00 м, 1.25-2.1 м, 1992, Англия), в) - JT-60U (3.40 м, 1.00 м, 1991, Япония), г) - TCV (0.88 м, 0.25-0.7 м, 1992, Швейцария), д) - ASDEX Upgrade (1.65 м, 0.5-0.8 м, 1991, Германия), е) - Глобус-М (0.36 м, 0.24 м, 1999, Россия), ж) Т-15 (1.48 м, 0.67 м, 2018, Россия). В маркировках токамаков указаны год их пуска (или планируемый год пуска), большой и малый радиусы.in FIG. 5 is a flowchart of a method according to the claimed invention; FIG. 6 - vertical sections and cross sections of foreign tokamaks most adapted in solving plasma control problems, where a) DIII-D (1.66 m, 0.67 m, 1986, USA), b) JET (3.00 m, 1.25-2.1 m, 1992 , England), c) - JT-60U (3.40 m, 1.00 m, 1991, Japan), d) - TCV (0.88 m, 0.25-0.7 m, 1992, Switzerland), e) - ASDEX Upgrade (1.65 m, 0.5 -0.8 m, 1991, Germany), f) Globus-M (0.36 m, 0.24 m, 1999, Russia), g) T-15 (1.48 m, 0.67 m, 2018, Russia). The tokamak markings indicate the year of their launch (or the planned year of launch), large and small radii.
На фиг. 7 - вертикальные сечения действующих токамаков, где а) - сечение конструкции токамака EAST (копия ITER, 1.75 м, 0.43 м, 2006, Китай), б) - сечение сооружаемого токамака-реактора ITER (6.20 м, 2.00 м, планируемый год пуска 2025, Франция). В маркировках токамаков указаны год их пуска, большой и малый радиусы.In FIG. 7 - vertical sections of existing tokamaks, where a) - section of the EAST tokamak design (copy of ITER, 1.75 m, 0.43 m, 2006, China), b) - section of the ITER tokamak-reactor being constructed (6.20 m, 2.00 m, planned launch year 2025 , France). The tokamak markings indicate the year of their launch, large and small radii.
На фиг. 8 - линии уровня восстановленного распределения полоидального потока в токамаке ГЛОБУС-М и точки измерения: а - полоидального потока на сепаратрисе; 6 -зазоров между первой стенкой и сепаратрисой,In FIG. 8 - level lines of the restored distribution of poloidal flow in the GLOBUS-M tokamak and measurement points: a - poloidal flow on the separatrix; 6 - gaps between the first wall and the separatrix,
На фиг. 9 - эволюция формы и положения плазмы, восстановленные для разряда №31648 токамака Глобус-М,In FIG. 9 - evolution of the shape and position of the plasma, restored for discharge No. 31648 tokamak Globus-M,
На фиг. 10 - Восстановленное распределение полоидального потока для момента времени t=180 мс разряда №31648 токамака Глобус-М,In FIG. 10 - The restored distribution of the poloidal flow for time t = 180 ms discharge No. 31648 tokamak Globus-M,
На фиг. 11 - восстановленное распределение плотности тороидального тока плазмы для момента времени t=180 мс разряда №31648 токамака Глобус-М,In FIG. 11 is a reconstructed distribution of the density of the toroidal plasma current for a time t = 180 ms of discharge No. 31648 of the Globus-M tokamak,
На фиг. 12 - Граница плазмы для разряда №31648 (t=0,19),In FIG. 12 - Plasma boundary for discharge No. 31488 (t = 0.19),
На фиг. 13 - сравнение сепаратрис, полученных методом филаментов и кодом DINA на модельном разряде,In FIG. 13 - comparison of separatrices obtained by the filament method and the DINA code on a model discharge,
На фиг. 14 - блок-схема системы управления полоидальными потоками для диверторной фазы разряда,In FIG. 14 is a block diagram of a poloidal flow control system for a divertor discharge phase,
На фиг. 15 - Результат работы системы управления: а - отклонение компонент магнитного поля в X точке от нуля; 6 - разность полоидального потока в Х-точке от полоидального потока в точках желаемого расположения границы плазмы,In FIG. 15 - The result of the control system: a - deviation of the magnetic field components at the X point from zero; 6 - the difference of the poloidal flow at the X-point from the poloidal flow at the points of the desired location of the plasma boundary,
На фиг. 16 - эволюция границы плазмы: а - 0.18 с; б - 0.185 с; в - 0.19 с; г - 0.195 с и желаемое расположение границы плазмы.In FIG. 16 — evolution of the plasma boundary: a — 0.18 s; b - 0.185 s; c - 0.19 s; g - 0.195 s and the desired location of the plasma boundary.
Позициями на фиг. 1, где представлена известная конструкция токамака, обозначены:With reference to FIG. 1, where a known tokamak design is shown, are indicated:
1 - первичная обмотка;1 - primary winding;
2 - магнитопровод,2 - magnetic circuit,
3 - обмотка тороидального поля;3 - winding of a toroidal field;
4 - тороидальное поле;4 - toroidal field;
5 - обмотка полоидального поля;5 - winding of the poloidal field;
6 - полоидальное поле;6 - poloidal field;
7 - винтовое магнитное поле;7 - helical magnetic field;
8 - плазменный виток.8 - plasma coil.
Заявленное изобретение основано на использовании динамической модели плазмы с переменными входными параметрами, при этом соответствующим образом обработанные выходные сигналы данной модели используют в качестве входных сигналов для кода восстановления равновесия.The claimed invention is based on the use of a dynamic plasma model with variable input parameters, while appropriately processed output signals of this model are used as input signals for the equilibrium restoration code.
Все расчеты для обоснования предложенного способа выполнены с использованием системы численно-математического моделирования MatLab и системы моделирования динамических систем Simulink.All calculations to justify the proposed method were performed using the MatLab system of numerical and mathematical modeling and the Simulink system of modeling dynamic systems.
В отсутствии плазмы в токамаке динамика вектора токов I в катушках полоидального поля и элементах вакуумной камеры токамака (горизонтальных кольцах) описывается векторно-матричным дифференциальным уравнением Кирхгофа, связывающим изменение вектора-столбца магнитного потока Ψс через контура проводников с диагональной матрицей активных сопротивлений проводников R и вектором приложенных к ним напряжений U:In the absence of plasma in the tokamak, the dynamics of the current vector I in the coils of the poloidal field and the elements of the tokamak vacuum chamber (horizontal rings) is described by the Kirchhoff vector-matrix differential equation relating the change in the column vector of the magnetic flux Ψ s through the circuit of conductors with the diagonal matrix of active resistances of conductors R and the vector of applied stresses U:
При этом вектор потоков Ψс определяется произведением постоянной матрицы индуктивностей проводниковIn this case, the flux vector Ψ c is determined by the product of the constant matrix of inductances of the conductors
и вектора токов I, и поэтому дифференциальное уравнение Кирхгофа является линейным:and current vector I, and therefore the Kirchhoff differential equation is linear:
При добавлении в систему подвижного контура плазмы с током Ip, вектор магнитных потоков Ψс нелинейно зависит от положения магнитной оси плазмы и формы плазмы, определяемых распределениями полоидального потока ψ и плотности тока плазмы Jϕ, реконструкции которых посвящены предыдущие разделы.When a plasma circuit with current I p is added to the system, the magnetic flux vector Ψ s nonlinearly depends on the position of the plasma magnetic axis and plasma shapes determined by the distributions of the poloidal flux ψ and the plasma current density J ϕ , the reconstruction of which was discussed in the previous sections.
От формы и положения плазмы также зависит магнитный потокThe magnetic flux also depends on the shape and position of the plasma
через контур плазмы, определяемый собственной индуктивностью плазмы Mpp и током через плазму, а также матрицей взаимных индуктивностей между плазмой и катушками управления (катушками полоидального поля) и токами через эти катушки. Матрицы индуктивностей, связанных с плазмой, выражаются из восстановленных распределения плотности тока, формы и положения плазмы при помощи функций Грина, например, для Mpc так:through the plasma circuit, determined by the intrinsic inductance of the plasma M pp and the current through the plasma, as well as the matrix of mutual inductances between the plasma and the control coils (coils of the poloidal field) and currents through these coils. Plasma inductances associated with plasma are expressed from the reconstructed distribution of current density, plasma shape and position using Green's functions, for example, for M pc like this:
Эти формулы определяют связь линейных моделей с восстановленными распределениями потока и тока плазмы и приводят к решению полной согласованной задачи идентификации плазмы.These formulas determine the relationship of linear models with reconstructed plasma flow and current distributions and lead to the solution of the complete consistent plasma identification problem.
Для получения линейной модели приняты следующие физические допущения:To obtain a linear model, the following physical assumptions are made:
масса и сопротивление плазмы пренебрежимо малы, поэтому они полагаются равными нулю, the plasma mass and resistance are negligible, therefore they are assumed to be zero,
считается, что плазма не меняет свою форму при смещении по вертикали и горизонтали (концепция «жесткой модели» [15]), it is believed that the plasma does not change its shape when shifted vertically and horizontally (the concept of a “rigid model” [15]),
изменение полного тока плазмы не сопровождается изменением профиля распределения плотности тока. a change in the total plasma current is not accompanied by a change in the current density distribution profile.
Запишем теперь линеаризованные уравнения Кирхгофа в отклонениях от равновесных распределений ψ и Jϕ. Первое уравнение описывает контуры катушек и элементов камеры токамака, а второе - контур плазмы:We now write the linearized Kirchhoff equations in deviations from the equilibrium distributions ψ and J ϕ . The first equation describes the contours of the coils and elements of the tokamak chamber, and the second describes the plasma circuit:
Поскольку масса плазмы принимается равной нулю, действующая на плазму сила в полоидальной плоскостиSince the plasma mass is taken equal to zero, the force acting on the plasma in the poloidal plane
или в координатном видеor in coordinate form
в любой момент должна быть равна нулю. Это равенство должно выполняться и при отклонениях от равновесных распределений ψ и J по положению магнитной оси плазмы и по токам в проводящих элементах:at any moment should be equal to zero. This equality must also be satisfied for deviations from the equilibrium distributions ψ and J along the position of the magnetic axis of the plasma and currents in the conductive elements:
Выразим из (3) отклонение через вектор изменения токов в катушках и элементах камеры , подставим в уравнение (2), выразим из второго уравнения полученной системы скорость изменения тока плазмы и подставим ее в первое уравнение. В итоге уравнение линейной модели примет вид:We express from (3) the deviation through the vector of current changes in the coils and camera elements , substitute in equation (2), we express from the second equation of the resulting system the rate of change of the plasma current and substitute it in the first equation. As a result, the equation of the linear model takes the form:
Матрица эффективных индуктивностей в этой формуле зависит от равновесия плазмы и находится по формулеEffective Inductance Matrix in this formula depends on the equilibrium of the plasma and is found by the formula
В конечном виде линейная модель плазмы в пространстве состояний запишется в видеIn the final form, the linear plasma model in the state space can be written as
Матрицы А и В выражаются через матрицы индуктивностей и сопротивлений по формуламMatrices A and B are expressed through matrices of inductances and resistances according to the formulas
где Е - единичная матрица, N - количество обмоток токамака, V - количество горизонтальных кольцевых элементов, на которые разбита вакуумная камера.where E is the identity matrix, N is the number of tokamak windings, V is the number of horizontal ring elements into which the vacuum chamber is divided.
В качестве выходных сигналов у модели используются отклонения токов в 8-и катушках управления от равновесных значений, горизонтальное и вертикальное смещения положения магнитной оси плазмы, изменение тока плазмы, приращения полоидального потока в наборе из 10-ти точек Р1-Р10 на границе плазмы (фиг. 8а) и приращения δg 6-ти зазоров между границей плазмы и вакуумной камерой (фиг. 8б). Выходы модели как отклонения от восстановленного равновесия токов в активных и пассивных структурах, положения магнитной оси плазмы, тока плазмы, потоков и расстояний сепаратрисы и первой стенки представляются в одном векторе:The model’s output signals include current deviations in 8 control coils from equilibrium values, horizontal and vertical displacements of the plasma magnetic axis position, change in plasma current, poloidal flow increment in a set of 10 points P1-P10 at the plasma boundary (Fig. 8a) and an increment δg of 6 gaps between the plasma boundary and the vacuum chamber (Fig. 8b). The model outputs as deviations from the restored equilibrium of currents in active and passive structures, the positions of the plasma magnetic axis, plasma current, flows and distances of the separatrix and the first wall are presented in one vector:
и связаны с состояниями δI матрицей С:and are related to the states δI by the matrix C:
Здесь - вектор-столбец магнитного потока, создаваемого в горизонтальных контурах, проходящих через точки Р1-Р10 (фиг. 8а), - матрица взаимных индуктивностей между данными контурами, катушками полоидального поля и элементами камеры, а - вектор-столбец взаимных индуктивностей между рассматриваемыми контурами и плазмой.Here - a column vector of the magnetic flux generated in horizontal contours passing through points P1-P10 (Fig. 8A), - a matrix of mutual inductances between these circuits, coils of the poloidal field and camera elements, and - a column vector of mutual inductances between the contours under consideration and the plasma.
Сущность изобретения состоит в использовании кода восстановления равновесия плазмы в обратную связь системы управления током и формой плазмы токамака.The essence of the invention consists in using a code for restoring plasma equilibrium in the feedback of a current and plasma control system of a tokamak.
Для получения разряда в вакуумной камере токамака заранее определяется сценарий, представляющий собой программные изменения токов в центральном соленоиде ICS и обмотках полоидального тока IPS, чтобы они давали желаемую магнитную конфигурацию плазмы в токамаке. Когда производится восстановление равновесия плазмы по экспериментальным данным, то используются также сигналы с магнитных петель и зондов, которые были в разряде и которые также можно отнести к сценарным сигналам (фиг. 5). Поскольку линейная модель, как описано выше, получается при малых отклонениях от сценарных сигналов, то тогда, если на линейную модель подавать входные сигналы, как и в эксперименте, формируемые такими же каскадами обратной связи (фиг. 5), а выходные сигналы модели соответствующие малым отклонениям от сценарных сигналов, складывать с соответствующими сценарными сигналами то получится полная имитация работы объекта управления в эксперименте.To obtain a discharge in a tokamak vacuum chamber, a scenario is defined in advance, which is a programmatic change in currents in the central solenoid I CS and poloidal current windings I PS so that they give the desired magnetic plasma configuration in the tokamak. When plasma equilibrium is restored from experimental data, signals from magnetic loops and probes that were in the discharge and which can also be attributed to scenario signals are also used (Fig. 5). Since the linear model, as described above, is obtained for small deviations from the scenario signals, then, if the input signals are input to the linear model, as in the experiment, generated by the same feedback cascades (Fig. 5), and the model output signals corresponding to small deviations from the scenario signals, add to the corresponding scenario signals this will result in a complete imitation of the operation of the control object in the experiment.
Полученная сумма выходных сигналов модели и сценарных сигналов будет соответствовать выходным сигналам эксперимента, по которым можно восстановить равновесие плазмы в токамаке. Код восстановления равновесия рассчитывает распределение полоидального потока, по которому можно получить вариации сигналов потока в нужных точках δΨ, отклонения зазоров δg в заданных точках на сепаратрисе, горизонтальную и вертикальную составляющую поля Br, Bz в Х-точке. Эти сигналы подаются на вход регулятора формы и тока плазмы . Таким образом происходит замыкание обратной связи в системе управления током и формой плазмы с кодом восстановления равновесия плазмы внутри замкнутого контура управления. Это является новым предложением по сравнению с известными техническими решениями систем магнитного управления плазмой в токамаках при их компьютерном моделировании (фиг. 3).The resulting sum of the model output signals and scenario signals will correspond to the output signals of the experiment, by which it is possible to restore the plasma equilibrium in the tokamak. The equilibrium restoration code calculates the distribution of the poloidal flow, from which it is possible to obtain variations of the flow signals at the desired points δΨ, deviations of the gaps δg at given points on the separatrix, the horizontal and vertical field components B r , B z at the X-point. These signals are fed to the input of the regulator of the form and plasma current . Thus, feedback closes in the current and plasma control system with a code for restoring the plasma equilibrium inside a closed control loop. This is a new proposal in comparison with the known technical solutions of plasma magnetic control systems in tokamaks during their computer simulation (Fig. 3).
В частном случае реализации заявленного изобретения способ применяют в токамаках, вытянутых по вертикали.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the method is used in tokamaks elongated vertically.
Выходные сигналы регулятора могут соответствовать значениям токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида.The output signals of the controller can correspond to the current values in the windings of the poloidal field and the central solenoid.
Выходные сигналы регулятора формы и тока плазмы возможно подавать на вход каскадов управления токами в обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака.The output signals of the regulator of the shape and current of the plasma can be fed to the input of the cascades of current control in the windings of the poloidal field and the central solenoid of the tokamak.
В качестве выходных переменных величин линейной модели устанавливают, например, ток плазмы, ток в обмотках полоидального поля и центральном соленоиде, сигналы на магнитных петлях и зондах.As the output variables of the linear model, for example, the plasma current, the current in the windings of the poloidal field and the central solenoid, signals on magnetic loops and probes are set.
Используют код восстановления равновесия плазмы, основанный, например, на уравнении Града-ШафрановаA plasma equilibrium restoration code is used, based, for example, on the Grad-Shafranov equation
Согласно фиг. 1, токамак содержит первичную обмотку 1, внутри которой расположен магнитопровод 2, обмотка (катушка) 3 тороидального поля 4, обмотки (катушки) 5 полоидального поля 6 для управления положением и формой плазменного шнура. В первичную обмотку 1 поступает импульс тока от внешнего источника энергии, образуется результирующее винтовое магнитное поле 7, а плазменный виток 8 является вторичным витком трансформатора, в котором протекает ток, нагревающий плазму. Для дополнительного нагрева плазмы используются инжекторы нейтральных атомов и СВЧ электромагнитные колебания. Неустойчивости плазмы подавляются сильным тороидальным полем 4, создаваемым обмоткой 3.According to FIG. 1, the tokamak contains a primary winding 1, inside of which there is a
На фиг. 3-4 представлены блок-схемы, иллюстрирующие аналоги заявленного изобретения (описаны в разделе описания «уровень техники»).In FIG. 3-4 are block diagrams illustrating analogues of the claimed invention (described in the "prior art" description section).
На фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая заявленный способ. Блок-схема, согласно заявленному изобретению, содержит многомерный регулятор для управления током плазмы Ip и зазорами g между сепаратрисой плазмы (магнитной поверхностью, внутри которой удерживается плазма) и первой стенкой токамака, соединенный с регулятором токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака , выход которого соединен с исполнительным устройством, охваченным отрицательной обратной связью, и регулятор положения магнитной оси плазмы PZ-R (для управления вертикальным Z и R горизонтальным положением плазмы), выход которого соединен с исполнительным устройством ИУz-r, также охваченными отрицательной обратной связью. Выходы исполнительных устройств соединены со входами линейной модели.In FIG. 5 is a flowchart illustrating the claimed method. The block diagram according to the claimed invention contains a multidimensional regulator for controlling the plasma current I p and the gaps between the plasma separatrix (the magnetic surface inside which the plasma is held) and the first tokamak wall connected to the current regulator in the windings of the poloidal field and the central tokamak solenoid the output of which is connected to an actuator covered by negative feedback, and a regulator of the position of the magnetic axis of the plasma P ZR (to control the vertical Z and R horizontal position of the plasma), the output of which is connected to an actuator of the DUT zr , also covered by negative feedback. The outputs of the actuators are connected to the inputs of the linear model.
А именно, выходы исполнительных устройств соединены со входами блока вычисления линейной модели, один векторный выход которого последовательно соединен с регулятором PZ-R через сумматор с отрицательным входом, при этом на другой вход сумматора подаются задающие воздействия Z и R, определяющие требуемое положение плазмы.Namely, the outputs of the actuators are connected to the inputs of the linear model calculation unit, one vector output of which is connected in series with the regulator P ZR through an adder with a negative input, while the input of the adder is supplied with setting actions Z and R that determine the required plasma position.
другой векторный выход - последовательно соединен со входом блока кода восстановления,another vector output is connected in series with the input of the recovery code block,
один скалярный выход соединен через отрицательный вход сумматора с регулятором тока и формы плазмы , выходы которого являются задающими воздействиями для каскада управления токами в обмотках полоидального поля и центрального соленоида,one scalar output is connected through the negative input of the adder with a current and plasma regulator the outputs of which are the driving actions for the cascade of current control in the windings of the poloidal field and the central solenoid,
векторный выход, являющийся подвектором общего векторного выхода линейной модели, последовательно соединен через отрицательный вход сумматора со входом многомерного регулятора , выход которого подключен ко входу исполнительного устройства ИУPF, а на другой вход данного сумматора подаются задающие воздействия по токам в обмотках полоидального поля и центрального соленоида,the vector output, which is a sub-vector of the overall vector output of the linear model, is connected in series through the negative input of the adder to the input of the multidimensional controller the output of which is connected to the input of the actuator IU PF , and to the other input of this adder are given the driving currents in the windings of the poloidal field and the central solenoid,
полный вход блока восстановления равновесия состоит из суммы выходного векторного сигнала линейной модели и соответствующих сценарных сигналов, представляющих собой вектор токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида, тока плазмы, сигналов с магнитных петель и зондов.the full input of the equilibrium restoration unit consists of the sum of the output vector signal of the linear model and the corresponding scenario signals, which are the vector of currents in the windings of the poloidal field and the central solenoid, plasma current, signals from magnetic loops and probes.
а третий выход - последовательно соединен с регулятором .and the third output is connected in series with the regulator .
Выходы блока кода восстановления соединены со входом многомерного регулятора тока и формы плазмы через отрицательный вход сумматора, на другой вход которого подаются задающие воздействия по зазорам между сепаратрисой плазмы и первой стенкой.The outputs of the recovery code block are connected to the input of the multidimensional controller current and plasma forms through the negative input of the adder, to the other input of which the driving actions are given along the gaps between the plasma separatrix and the first wall.
Блок-схема включает в себя контур управления положением плазмы, который содержит исполнительное устройство ИУZ-R и регулятор положения плазмы PZ-R, контур управления токами в обмотках полоидального поля, который содержит исполнительное устройство ИУPF и регулятор , являющийся внутренним каскадом управления током и формой плазмы, контур управления формой плазмы, включающий в себя код восстановления равновесия плазмы и регулятор управления током и формой плазмы , причем все перечисленные контуры включают в себя линейную модель плазмы в токамаке с переменными выходными сигналами, что представляет взаимодействие данных замкнутых контуров между собой через линейную модель плазмы.The block diagram includes a plasma position control circuit that contains the actuator DI ZR and a plasma position regulator P ZR , a current control circuit in the windings of the poloidal field that contains the actuator IU PF and the regulator , which is the internal cascade for controlling the current and shape of the plasma, the control loop for the shape of the plasma, which includes the code for restoring the plasma equilibrium and the regulator for controlling the current and shape of the plasma moreover, all of these circuits include a linear plasma model in a tokamak with variable output signals, which represents the interaction of these closed circuits with each other through a linear plasma model.
Для измерения сигналов тока плазмы, токов в обмотках полоидального поля и центральном соленоиде в эксперименте используются пояса Роговского, сигналы на магнитных петлях интегрируются для получения значений магнитного потока в местах их расположения.To measure the signals of plasma current, currents in the windings of the poloidal field and the central solenoid, Rogowski belts are used in the experiment, the signals on magnetic loops are integrated to obtain magnetic flux values at their locations.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На вход многомерного регулятора подают значения задающих референсных сигналов и , заранее определенных в соответствии с выбранным сценарием плазменного разряда.At the input of a multidimensional controller give values of reference reference signals and predetermined according to the selected plasma discharge scenario.
В качестве выходных сигналов регулятора получают значения токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида, которые направляют на регулятор , выходные сигналы с которого подают на исполнительное устройство, где вычисляют векторы напряжения на обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака в каждый момент времени и подают полученные сигналы на вход линейной модели плазмы, причем указанные обмотки входят в линейную модель плазмы в токамаке, поскольку они магнитно связаны с плазмой и воздействуют на ее размещение в пространстве путем изменения магнитной конфигурации.As the output signals of the controller receive current values in the windings of the poloidal field and the central solenoid, which are sent to the controller , the output signals from which are fed to the actuator, where the voltage vectors on the windings of the poloidal field and the central tokamak solenoid are calculated at each moment of time, and the received signals are fed to the input of the linear plasma model, these windings being included in the linear plasma model in the tokamak, since they are magnetically associated with plasma and affect its placement in space by changing the magnetic configuration.
При этом задают значения выходных и выходных сигналов регулятора в пределах малого отклонения положения сепаратрисы плазмы от заданного положения, соответствующего плазменному разряду диверторной фазы в каждый момент времени.At the same time, the values of the output and output signals of the controller are set within a small deviation of the position of the plasma separatrix from a predetermined position corresponding to the plasma discharge of the divertor phase at each moment of time.
По полученным входным сигналам с использованием динамической линейной модели плазмы вычисляют значения изменения векторов токов в обмотках полоидального поля и центрального соленоида токамака сигналов на магнитных петлях, пропорциональных изменению магнитного потока в заданных точках δΨ, сигналы об изменении магнитного поля δB с магнитных зондов, значение тока плазмы Ip. Затем полученный на выходе линейной модели одномерный массив значений сигналов в данный момент времени суммируют с массивом аналогичных значений сценарных сигналов соответствующих заданному расположению сепаратрисы плазмы на диверторной фазе плазменного разряда в каждый момент времени. После чего, полученный массив сигналов, соответствующий суммированным значениям, подают на вход кода восстановления равновесия плазмы. На выходе кода восстановления получают значения сигналов, пропорциональных входным сигналам регулятора формы и тока плазмы и соответствующие положению равновесия плазмы, которые подают на вход многомерного регулятора , цикл замыкается.Based on the received input signals using the dynamic linear plasma model, the values of the current vectors in the windings of the poloidal field and the central tokamak solenoid are calculated signals on magnetic loops proportional to the change in magnetic flux at given points δΨ, signals on a change in the magnetic field δB from magnetic probes, the value of the plasma current I p . Then, the one-dimensional array of signal values at the given time obtained at the output of the linear model summarize with an array of similar values of scenario signals corresponding to a given location of the plasma separatrix in the divertor phase of the plasma discharge at each time point. After that, the resulting array of signals corresponding to the summed values is fed to the input of the plasma balance recovery code. The output of the recovery code gives the values of signals proportional to the input signals of the regulator of the form and plasma current and corresponding to the plasma equilibrium position, which are fed to the input of the multidimensional regulator , the cycle closes.
Таким образом реализуют обратную связь с внедренным в нее кодом восстановления равновесия плазмы по значениям сигналов, получаемых в каждый момент времени на выходе линейной модели плазмы, суммированных с соответствующими сценарными сигналами, причем полученная сумма является входным многомерным сигналом кода восстановления равновесия плазмы, выход которого, представляющий собой смещение выбранных точек сепаратрисы относительно заданных значений, замыкает обратную связь, поступая на вход регулятора тока и формы плазмы.In this way, feedback is implemented with the plasma equilibrium restoration code embedded in it according to the values of the signals received at each instant of time at the output of the linear plasma model, summed with the corresponding scenario signals, and the resulting sum is the input multidimensional signal of the plasma equilibrium restoration code, the output of which is the shift of the selected points of the separatrix relative to the given values, closes the feedback, coming to the input of the current regulator and the shape of the plasma.
Примеры конкретного выполненияCase Studies
Пример 1Example 1
На фиг. 9 приведены изображения положения и магнитной конфигурации плазмы в разные моменты времени, иллюстрирующие изменение формы и положения плазмы, восстановленной для разряда №31648 токамака Глобус-М. Магнитные конфигурации получены через каждые 10 мс, начиная со 150-й сек разряда. В моменты времени 150, 160, 170 сек в плазме существует лимитерная конфигурация, а в моменты времени 180, 190, 200 мс - диверторная конфигурация с одной верхней Х-точкой. Таким образом, использование в обратной связи кода восстановления равновесия плазмы позволяет проследить в течение всего разряда эволюцию магнитной конфигурации при восстановлении ее в дискретные моменты времени.In FIG. Figure 9 shows images of the position and magnetic configuration of the plasma at different instants of time, illustrating the change in the shape and position of the plasma reconstructed for discharge No. 31648 of the Globus-M tokamak. Magnetic configurations are obtained every 10 ms, starting from the 150th sec of discharge. At time points 150, 160, 170 sec, there is a limited configuration in the plasma, and at
Пример 2Example 2
На фиг. 10 и 11 показаны восстановленное распределение полоидального потока и соответствующее ему распределение плотности тока плазмы в трехмерном масштабе в координатах и . При численном моделировании использовалась квадратная сетка размером 64×64. Эти трехмерные изображения восстановленных равновесий иллюстрируют работоспособность созданного авторами изобретения кода восстановления равновесия плазмы методом итераций Пикара по экспериментальным данным токамака Глобус-М. Код использовался в обратной связи для моделирования системы управления формой и током плазмы.In FIG. 10 and 11 show the reconstructed distribution of the poloidal flow and the corresponding distribution of the plasma current density on a three-dimensional scale in coordinates and . In numerical simulation, a 64 × 64 square grid was used. These three-dimensional images of restored equilibria illustrate the operability of the code for restoring plasma equilibrium created by the inventors by the Picard iteration method based on experimental data from the Globus-M tokamak. The code was used in feedback to simulate a plasma shape and current control system.
Пример 3Example 3
Ниже приведен частный пример создания системы управления формой и током плазмы с кодом восстановления равновесия плазмы методом подвижных филаментов с использованием заявленного изобретения.The following is a specific example of creating a plasma shape and current control system with a code for restoring plasma equilibrium using the movable filament method using the claimed invention.
Для описания физических процессов в токамаке обычно используется цилиндрическая система координат (r, ϕ, z) в предположении, что любая физическая величина не зависит от угла ϕ при аксиальной симметрии токамака. Для описания электромагнитных явлений в камере токамака вводится функция полоидального потока как полоидального потока на один радиан, проходящего через круг, на границе которого лежит точка Р:To describe physical processes in a tokamak, a cylindrical coordinate system (r, ϕ, z) is usually used under the assumption that any physical quantity does not depend on the angle ϕ with axial symmetry of the tokamak. To describe electromagnetic phenomena in a tokamak chamber, the function of the poloidal flow is introduced as a poloidal flow per radian passing through a circle at the boundary of which lies the point P:
Основной идеей метода филаментов (англ. filament - нить, волосок, волокно) является аппроксимация распределенного тока плазмы суммой токов от точечных источников (бесконечно тонких кольцевых витков, лежащих в горизонтальной плоскости) [16]:The main idea of the filament method (English filament - thread, hair, fiber) is to approximate the distributed plasma current by the sum of the currents from point sources (infinitely thin circular turns lying in a horizontal plane) [16]:
где Jϕ (r) - тороидальная плотность тока плазмы, r - радиус-вектор на плоскости (r, z), Im - ток в m-ом филаменте, rm - координата m-го филамента, М - число филаментов, δ(r-rm) - дельта-функция.where J φ (r) - toroidal density plasma current, r - the radius vector on the plane (r, z), I m - the current in the m-th filament, r m - coordinate of the m-th filament, M - the number of filaments, δ (rr m ) is the delta function.
В результате такой замены распределение полоидального потока от плазмы на плоскости (r, z), может быть найдено как сумма распределений полоидального потока от точечных источников:As a result of such a replacement, the distribution of the poloidal flux from the plasma on the (r, z) plane can be found as the sum of the distributions of the poloidal flux from point sources:
где - распределение полоидального потока от плазмы, Im - ток в m-ом филаменте, G(rm, r) - функция Грина, [7] явный вид которой имеет вид:Where - distribution of the poloidal plasma flow, I m - the current in the m-th filament, G (r m, r) - Green's function, [7] the explicit form which has the form:
где μ0 - магнитная постоянная, K, Е - эллиптические интегралы первого и второго рода, .where μ 0 is the magnetic constant, K, E are elliptic integrals of the first and second kind, .
Аналогично выписываются распределения полоидального потока, создаваемые катушками управления и пассивными структурами - элементами вакуумной камеры:Similarly, the distributions of the poloidal flow created by the control coils and passive structures - elements of the vacuum chamber are written out:
где , - токи в катушках и элементах камеры, L - число катушек, V - число элементов вакуумной камеры.Where , - currents in the coils and elements of the chamber, L is the number of coils, V is the number of elements of the vacuum chamber.
В итоге суммарное распределение полоидального потока на плоскости (r, z) включает в себя три суммы:As a result, the total distribution of the poloidal flow on the (r, z) plane includes three sums:
Метод филаментов подразумевает определение расположений филаментов и токов, протекающих в них, таким образом, чтобы норма отклонения созданного филаментами магнитного сигнала (магнитная индукция или магнитный поток) и значения тока в филаментах от измеренных величин была минимальной.The filament method involves determining the location of the filaments and the currents flowing in them, so that the deviation rate of the magnetic signal created by the filaments (magnetic induction or magnetic flux) and the current value in the filaments from the measured values is minimal.
На действующей установке Глобус-М во время сценария измеряются значения магнитного потока в 21-й точке расположения магнитных петель, закрепленных по периметру вакуумной камеры. Также во время плазменного разряда определяются ток плазмы и ток плазмы в сумме с током по вакуумной камере с помощью поясов Роговского.At the current Globus-M installation, during the scenario, the magnetic flux is measured at the 21st point of the location of the magnetic loops fixed along the perimeter of the vacuum chamber. Also, during a plasma discharge, the plasma current and plasma current are determined in total with the current through the vacuum chamber using Rogowski belts.
Исходя из перечисленных данных, составляется функционал:Based on the data listed, the following functionality is compiled:
который необходимо минимизировать по значениям координат филаментов, токов, протекающих в них, а также токов в элементах вакуумной камеры, т.к. при произвольном разбиении камеры на кольцевые элементы, токи, протекающие в этих элементах, неизвестны. В функционале F величины ci, p1, p2 - нормирующие коэффициенты, N=21 - число магнитных петель, Ψi - измеренное значение потока i-ой магнитной петлей, - измеренные значения тока плазмы и тока плазмы в сумме с током по вакуумной камере. Все измеряемые величины зависят от времени и в эксперименте регистрируются с некоторым дискретным шагом, поэтому равновесие плазмы восстанавливается для какого-то выбранного момента времени, т.к. для каждого момента времени будет иметься свое восстановленное равновесие.which must be minimized by the values of the coordinates of the filaments, the currents flowing in them, as well as the currents in the elements of the vacuum chamber, because when the camera is arbitrarily divided into ring elements, the currents flowing in these elements are unknown. In the functional F, the quantities c i , p 1 , p 2 are normalizing coefficients, N = 21 is the number of magnetic loops, Ψ i is the measured value of the flux of the i-th magnetic loop, - the measured values of the plasma current and plasma current in total with the current through the vacuum chamber. All measured values depend on time and in the experiment are recorded with some discrete step, therefore, the plasma equilibrium is restored for some chosen time moment, because for each moment in time there will be its own restored equilibrium.
Для упрощения процедуры минимизации токи и функция Грина линеаризуются:To simplify the minimization procedure, the currents and Green's function are linearized:
где - начальные значения токов в филаментах и элементах камеры, определяемые как соответствующий полный ток, деленный на количество элементов, - начальные положения филаментов. Минимизация функционала теперь проводится по отклонениям токов и и отклонениям координат .Where - the initial values of the currents in the filaments and camera elements, defined as the corresponding total current divided by the number of elements, - the initial position of the filaments. Functionality minimization is now carried out by current deviations and and coordinate deviations .
При использовании (5) формулу (4) при отбрасывании величин второго порядка малости можно привести к виду:When using (5), formula (4) when discarding second-order quantities of smallness can be reduced to the form:
где Where
Нормальное псевдорешение системы kx=p находится посредством сингулярного разложения. Результат решения системы представлен на фиг. 12. Корректность восстановления равновесия была подтверждена на плазмо-физическом коде DINA (разработка ГНЦ РФ ТРИНИТИ) (Лукаш В.Э., Докука В.Н., Хайрутдинов P.P. Программно-вычислительный комплекс ДИНА в системе MATLAB для решения задач управления плазмой токамака. ВАНТ, серия: Термоядерный синтез, вып. 1, 2004, с. 40-49). На фиг. 13 представлено сравнение границ плазмы, полученных с помощью метода филаментов и с помощью кода DINA.The normal pseudosolution of the system kx = p is found by means of a singular decomposition. The result of solving the system is shown in FIG. 12. The correctness of the restoration of equilibrium was confirmed on the plasma-physical code DINA (developed by the SSC RF TRINITY) (Lukash VE, Dokuka VN, Khayrutdinov PP Software and computer complex DINA in the MATLAB system for solving tokamak plasma control problems. , series: Thermonuclear Fusion, vol. 1, 2004, pp. 40-49). In FIG. Figure 13 shows a comparison of the plasma boundaries obtained using the filament method and the DINA code.
По аналогии с известной методикой получения линейных моделей (известной, например, из источников Mitrishkin Y.V., Korenev P.S., Kartsev N.M., and Patrov M.I. Plasma shape control with a linear model for Globus-M tokamak. 41st Conference on Plasma Physics, Berlin, Germany, June 23-27, 2014, P4.054. Walker M., Humphreys D. Valid coordinate systems for linearized plasma shape response models in tokamaks, Fusion Science and Technology, 2006, vol. 50, no. 4, pp. 473-489) были получены линейные динамические модели с учетом плазмы и вакуумной камеры следующего вида:By analogy with the well-known method of obtaining linear models (known, for example, from sources Mitrishkin YV, Korenev PS, Kartsev NM, and Patrov MI Plasma shape control with a linear model for Globus-M tokamak. 41 st Conference on Plasma Physics, Berlin, Germany , June 23-27, 2014, P4.054. Walker M., Humphreys D. Valid coordinate systems for linearized plasma shape response models in tokamaks, Fusion Science and Technology, 2006, vol. 50, no. 4, pp. 473- 489) linear dynamic models were obtained taking into account plasma and a vacuum chamber of the following form:
гдеWhere
L, V - число катушек и элементов вакуумной камеры,L, V - the number of coils and elements of the vacuum chamber,
- вектор-столбец, состоящий из приращений токов в катушках и элементах камеры, - a column vector consisting of increments of currents in coils and camera elements,
- вектор-столбец, состоящий из приращений напряжений в управляющих катушках.is a column vector consisting of voltage increments in the control coils.
Вектор выходаExit vector
включает в себя сдвиги плазмы по вертикали и горизонтали, приращение полного тока плазмы и приращения тока в L управляющих катушках, а также 21 значение приращений полоидального тока в местах расположения магнитных петель. В соответствии с этим, матрица С имеет размерность (2+1+L+21)×(L+V).It includes plasma vertical and horizontal shifts, increment of the total plasma current and current increments in the L control coils, as well as 21 values of the poloidal current increments at the locations of the magnetic loops. In accordance with this, the matrix C has the dimension (2 + 1 + L + 21) × (L + V).
На действующей установке Глобус-М уже имеется разработанная и внедренная система стабилизации положения плазмы токамака Глобус-М. Для целей управления положением плазмы зарезервированы катушки HFC (Horizontal Field Coils), VFC (Vertical Field Coils). Разрабатываемые блоки выделены на фиг. 14 серым цветом. В первую очередь это И-регулятор тока плазмы, который необходим для поддержания тока плазмы на определенном уровне во время квазистационарной стадии разряда в токамаке. Данный регулятор получает измеряемые данные о токе плазмы и через отрицательную обратную связь подключается к каскаду многофазного тиристорного выпрямителя напряжения катушки CS (Central Solenoid), так как именно эта катушка фактически управляет током плазмы по трансформаторному принципу.The existing Globus-M installation already has a developed and implemented system for stabilizing the plasma position of the Globus-M tokamak. For plasma position control, HFC (Horizontal Field Coils), VFC (Vertical Field Coils) coils are reserved. The blocks under development are highlighted in FIG. 14 grayed out. First of all, this is the plasma current I-regulator, which is necessary to maintain the plasma current at a certain level during the quasistationary stage of the discharge in a tokamak. This regulator receives the measured data on the plasma current and, through negative feedback, is connected to the cascade of the multiphase thyristor rectifier CS (Central Solenoid), as this coil actually controls the plasma current according to the transformer principle.
Для управления формой плазмы предлагается следующий алгоритм. По выходным данным с линейной модели (значения полоидального потока в 21-ой точке расположения магнитных петель, ток плазмы, ток по вакуумной камере, ток в катушках) алгоритм восстановления рассчитывает r-,z-компоненты магнитного поля в месте желаемого расположения Х-точки, а также разность в полоидальном потоке между Х-точкой и точками желаемого расположения границы плазмы. Задачей многомерного регулятора KMIMO(s) является сведение данных величин к нулю, поскольку известно, что магнитное поле в Х-точке для любого разряда равно нулю, а граница плазмы определяется линей равного уровня полоидального потока. Данный регулятор синтезирован методом Н∞ оптимизации (loop shaping), и обеспечивает запас робастной устойчивости ε=0.485. Результат моделирования приведен на фиг. 15, 16.The following algorithm is proposed for controlling the shape of the plasma. Based on the output from the linear model (the values of the poloidal flux at the 21st magnetic loop location point, plasma current, vacuum chamber current, coil current), the reconstruction algorithm calculates the r-, z-components of the magnetic field at the location of the desired X-point location, and also the difference in the poloidal flow between the X-point and the points of the desired location of the plasma boundary. The task of the multidimensional controller K MIMO (s) is to reduce these values to zero, since it is known that the magnetic field at the X-point for any discharge is zero, and the plasma boundary is determined by a line of equal level of poloidal flux. This regulator is synthesized by the H ∞ optimization method (loop shaping), and provides a margin of robust stability ε = 0.485. The simulation result is shown in FIG. 15, 16.
Использованная литератураReferences
1. Artsimovich L.A. Tokamak devices // Nuclear Fusion, Vol. 12. 1972. P. 215-252.1. Artsimovich L.A. Tokamak devices // Nuclear Fusion, Vol. 12. 1972. P. 215-252.
2. Wesson J. Tokamaks. Oxford: Clarendon Press, 1997.2. Wesson J. Tokamaks. Oxford: Clarendon Press, 1997.
3. Под ред. Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике. - Киев: «Техника», 1978. - 447 с.3. Ed. Chizhenko I.M. Handbook of conversion technology. - Kiev: "Technique", 1978. - 447 p.
4. Митришкин Ю.В., Коростелев А.Я., Докука В.Н., Хайрутдинов P.P. Синтез и моделирование двухуровневой системы магнитного управления плазмой токамака-реактора // Физика плазмы. 2011. Том 37. №4. С. 307-349 (прототип).4. Mitrishkin Yu.V., Korostelev A.Ya., Dokuka V.N., Khayrutdinov P.P. Synthesis and modeling of a two-level system of magnetic control of a plasma of a tokamak reactor // Plasma Physics. 2011. Volume 37. No. 4. S. 307-349 (prototype).
5. Докука В.Н., Кавин А.А., В.Э. Лукаш, М.М. Соколов, P.P. Хайрутдинов, В.А. Хайрутдинова. Численное моделирование управления плазмой в модернизированном токамаке Т-15. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2014, т. 37, вып. 3, с. 56-70 (аналог).5. Dokuka V.N., Kavin A.A., V.E. Lukash, M.M. Sokolov, P.P. Khairutdinov, V.A. Khayrutdinova. Numerical simulation of plasma control in the modernized T-15 tokamak. VANT. Ser. Thermonuclear Fusion, 2014, v. 37, no. 3, p. 56-70 (analog).
6. Шафранов В.Д. Равновесие плазмы в магнитном поле // Вопросы теории плазмы. 1963. Вып.2. С. 92-131.6. Shafranov V.D. The equilibrium of plasma in a magnetic field // Problems of plasma theory. 1963.
7. Ariola М., Pironti A. Magnetic control of tokamak plasmas. Springer-Verlag, 2008.7. Ariola M., Pironti A. Magnetic control of tokamak plasmas. Springer-Verlag, 2008.
8. Коренев П.С., Митришкин Ю.В., Патров М.И. Реконструкция равновесного распределения параметров плазмы токамака по внешним магнитным измерениям и построение линейных плазменных моделей. Мехатроника, автоматизация и управление. Том 17, №4, 2016, с. 254-265. DOI: 10.17587/mau.17.254-266.8. Korenev P.S., Mitrishkin Yu.V., Patrov M.I. Reconstruction of the equilibrium distribution of tokamak plasma parameters by external magnetic measurements and the construction of linear plasma models. Mechatronics, automation and control. Volume 17,
9. M.L. WALKER, D.A. HUMPHREYS, J.A. LEUER, J.R. FERRON, and B.G. PENAFLOR. Implementation of model-based multivariable control on DIII-D, GA-A23468, 2000 (аналог).9. M.L. WALKER, D.A. HUMPHREYS, J.A. LEUER, J.R. FERRON, and B.G. PENAFLOR. Implementation of model-based multivariable control on DIII-D, GA-A23468, 2000 (analogue).
10. V. Mertens, G. Raupp, and W. Treutterer. Chapter 3: Plasma Control in ASDEX Upgrade. Fusion Science and Technology, Vol.44, Nov. 2003, pp.593-604 (аналог).10. V. Mertens, G. Raupp, and W. Treutterer. Chapter 3: Plasma Control in ASDEX Upgrade. Fusion Science and Technology, Vol. 44, Nov. 2003, pp. 593-604 (analogue).
11. Q.P. Yuan, B.J. Xiao, Z.P. Luo, M.L.Walker, A.S. Welander, A. Hyatt, J.P. Qian1, R.R. Zhang, D.A. Humphreys, J.A. Leuer, R.D. Johnson, B.G. Penaflor and D. Mueller. Plasma current, position and shape feedback control on EAST. Nucl. Fusion 53, 2013, 043009, 10pp (аналог).11. Q.P. Yuan, B.J. Xiao, Z.P. Luo, M.L. Walker, A.S. Welander, A. Hyatt, J.P. Qian1, R.R. Zhang, D.A. Humphreys, J.A. Leuer, R. D. Johnson, B.G. Penaflor and D. Mueller. Plasma current, position and shape feedback control on EAST. Nucl. Fusion 53, 2013, 043009, 10pp (equivalent).
12. Абрамовиц M., Стиган И. Справочник по специальным функциям. - М.: Наука, 1979. 832 с.12. Abramowitz M., Stigan I. Handbook of special functions. - M.: Science, 1979. 832 p.
13. Hofmann F., Tonetti G. Fast identification of plasma boundary and X-points in elongated tokamaks, Nuclear Fusion, 1988, vol. 28, no. 3, pp. 519-522.13. Hofmann F., Tonetti G. Fast identification of plasma boundary and X-points in elongated tokamaks, Nuclear Fusion, 1988, vol. 28, no. 3, pp. 519-522.
14. Mitrishkin Y.V., Korenev P.S., Kartsev N.M., and Patrov M.I. Plasma shape control with a linear model for Globus-M tokamak. 41st Conference on Plasma Physics, Berlin, Germany, June 23-27, 2014, P4.054.14. Mitrishkin YV, Korenev PS, Kartsev NM, and Patrov MI Plasma shape control with a linear model for Globus-M tokamak. 41 st Conference on Plasma Physics, Berlin, Germany, June 23-27, 2014, P4.054.
15. Walker M., Humphreys D. Valid coordinate systems for linearized plasma shape response models in tokamaks, Fusion Science and Technology, 2006, vol. 50, no. 4, pp. 473-489.15. Walker M., Humphreys D. Valid coordinate systems for linearized plasma shape response models in tokamaks, Fusion Science and Technology, 2006, vol. 50, no. 4, pp. 473-489.
16. Зотов И., Персиянов И., Сычугов Д. Контроль границы плазмы в токамаке в режиме реального времени // Вопросы атомной науки и техники серия Термоядерный синтез. - 2004. - №4. - С. 44-54.16. Zotov I., Persiyanov I., Sychugov D. Control of the plasma boundary in a tokamak in real time // Problems of Atomic Science and Technology Thermonuclear Fusion Series. - 2004. - No. 4. - S. 44-54.
17. Лукаш В.Э., Докука В.Н., Хайрутдинов P.P. Программно-вычислительный комплекс ДИНА в системе MATLAB для решения задач управления плазмой токамака. ВАНТ, серия: Термоядерный синтез, вып.1, 2004, с. 40-49.17. Lukash V.E., Dokuka V.N., Khayrutdinov P.P. The DINA software and computer complex in the MATLAB system for solving tokamak plasma control problems. VANT, series: Thermonuclear Fusion,
McFarlane D. and Glover K., Robust Controller Design Using Normalized Coprime Factor Plant Description. Lecture Notes in Control and Information Sciences, no 138, 1989. Springer-Verlag.McFarlane D. and Glover K., Robust Controller Design Using Normalized Coprime Factor Plant Description. Lecture Notes in Control and Information Sciences, no 138, 1989. Springer-Verlag.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018132882A RU2702137C1 (en) | 2018-09-17 | 2018-09-17 | Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018132882A RU2702137C1 (en) | 2018-09-17 | 2018-09-17 | Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017115081A Division RU2017115081A (en) | 2017-04-28 | 2017-04-28 | METHOD FOR MODELING MAGNETIC CONTROL SYSTEMS FORM AND PLASMA CURRENT WITH FEEDBACK IN TOKAMAK |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2702137C1 true RU2702137C1 (en) | 2019-10-04 |
Family
ID=68170879
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018132882A RU2702137C1 (en) | 2018-09-17 | 2018-09-17 | Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2702137C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2773508C1 (en) * | 2021-09-29 | 2022-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for magnetic control of plasma in tokamak in real time and device for its implementation |
CN114996631A (en) * | 2022-05-20 | 2022-09-02 | 安徽大学 | Light-weight reconstruction method for Tokamak plasma equilibrium configuration |
CN115510768A (en) * | 2022-11-21 | 2022-12-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Modeling method for outermost closed magnetic surface of Tokamak magnetic field |
CN116167247A (en) * | 2023-04-21 | 2023-05-26 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | GS equation numerical calculation method based on Fengha Gnoff method |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012064767A1 (en) * | 2010-11-08 | 2012-05-18 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Inertial confinement fusion chamber |
RU144824U1 (en) * | 2014-04-04 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | MAGNETIC SYSTEM OF THERMONUCLEAR INSTALLATION WITH ELECTRIC INSULATION ELEMENTS |
RU2633517C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-10-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Appliance for performances measurement of plasma spectral lines in reactor-tokamak |
RU2654518C1 (en) * | 2017-08-21 | 2018-05-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Electronic plasma density control system at the tokamak type plants |
-
2018
- 2018-09-17 RU RU2018132882A patent/RU2702137C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012064767A1 (en) * | 2010-11-08 | 2012-05-18 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Inertial confinement fusion chamber |
RU144824U1 (en) * | 2014-04-04 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | MAGNETIC SYSTEM OF THERMONUCLEAR INSTALLATION WITH ELECTRIC INSULATION ELEMENTS |
RU2633517C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-10-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Appliance for performances measurement of plasma spectral lines in reactor-tokamak |
RU2654518C1 (en) * | 2017-08-21 | 2018-05-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Electronic plasma density control system at the tokamak type plants |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2773508C1 (en) * | 2021-09-29 | 2022-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for magnetic control of plasma in tokamak in real time and device for its implementation |
CN114996631A (en) * | 2022-05-20 | 2022-09-02 | 安徽大学 | Light-weight reconstruction method for Tokamak plasma equilibrium configuration |
RU2787571C1 (en) * | 2022-06-30 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Method for fast determination of plasma shape in tokamak chamber during divertor phase of plasma discharge |
RU2788188C1 (en) * | 2022-06-30 | 2023-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Method for pulsed digital cascade control of plasma position in d-shaped tokamak |
CN115510768A (en) * | 2022-11-21 | 2022-12-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Modeling method for outermost closed magnetic surface of Tokamak magnetic field |
CN115510768B (en) * | 2022-11-21 | 2023-03-14 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Modeling method for outermost closed magnetic surface of Tokamak magnetic field |
CN116167247A (en) * | 2023-04-21 | 2023-05-26 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | GS equation numerical calculation method based on Fengha Gnoff method |
RU2821007C1 (en) * | 2023-09-19 | 2024-06-14 | Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | System of automatic magnetic control of position, shape and current of plasma in tokamak with divertor configuration |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2702137C1 (en) | Method of forming magnetic model of shape and current of plasma with feedback in tokamak | |
Ambrosino et al. | Magnetic control of plasma current, position, and shape in tokamaks: a survey or modeling and control approaches | |
Park et al. | Generation of few-group diffusion theory constants by Monte Carlo code McCARD | |
Sonnendrücker et al. | Numerical methods for Vlasov equations | |
Parker et al. | Large-scale gyrokinetic turbulence simulations: Effects of profile variation | |
Board | Lecture Notes in Control and Information Sciences 431 | |
Kópházi et al. | Development of a three-dimensional time-dependent calculation scheme for molten salt reactors and validation of the measurement data of the molten salt reactor experiment | |
Mitrishkin et al. | Plasma Control in Tokamaks. Part 1. | |
De Tommasi et al. | Current, position, and shape control in tokamaks | |
Brochard et al. | Verification and validation of linear gyrokinetic and kinetic-MHD simulations for internal kink instability in DIII-D tokamak | |
Sharma et al. | Modeling and control of TCV | |
Duerigen | Neutron transport in hexagonal reactor cores modeled by trigonal-geometry diffusion and simplified P {sub 3} nodal methods | |
Sanpei et al. | A data-assimilation based method for equilibrium reconstruction of magnetic fusion plasma and its application to reversed field pinch | |
Albanese et al. | Plasma current, shape, and position control in ITER | |
Portone et al. | Dynamic control of plasma position and shape in ITER | |
Fazekas et al. | Parameter estimation of a simple primary circuit model of a VVER plant | |
Cenedese et al. | Model-based approach for magnetic reconstruction in axisymmetric nuclear fusion machines | |
Zaitsev et al. | The basic components of software-hardware system for modeling and control of the toroidal plasma by epsilon-nets on heterogeneous mini-supercomputers | |
Mele et al. | Design of a novel plasma shape controller for the TCV tokamak | |
Chi et al. | H∞ control theory applied to xenon control for load-following operation of a nuclear reactor | |
Geißler | Investigating radiation and its distribution in W7X with EMC3/EIRENE | |
De Tommasi et al. | A software tool for the design of the current limit avoidance system at the JET tokamak | |
Bennett et al. | A surrogate model based on sparse grid interpolation for boiling water reactor subchannel void distribution | |
Woo | The influence of three dimensional effects on the core dynamics and nuclear measurements of inertial fusion implosions | |
Beghi | An application of selective modal analysis to tokamak modeling and control |