RU2668231C1 - Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак - Google Patents

Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак Download PDF

Info

Publication number
RU2668231C1
RU2668231C1 RU2017123456A RU2017123456A RU2668231C1 RU 2668231 C1 RU2668231 C1 RU 2668231C1 RU 2017123456 A RU2017123456 A RU 2017123456A RU 2017123456 A RU2017123456 A RU 2017123456A RU 2668231 C1 RU2668231 C1 RU 2668231C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
control
plasma
block
tokamak
instability
Prior art date
Application number
RU2017123456A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Михайлович Соколов
Галина Борисовна Игонькина
Дмитрий Александрович Кислов
Сергей Геннадьевич Мальцев
Никита Александрович Мустафин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2017123456A priority Critical patent/RU2668231C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2668231C1 publication Critical patent/RU2668231C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21BFUSION REACTORS
    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Изобретение относится к cистеме управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа Токамак. Система содержит автоматизированное рабочее место АРМ оператора 13, соединенное с комплексом СВЧ-нагрева плазмы 6, вакуумную камеру 1 с установленными в ней датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы 2 для регистрации периода пилообразных колебаний неустойчивости внутреннего срыва плазмы, соединенными с регулятором 3 пилообразных колебаний, сигнал с которого передают в контур управления положением вклада СВЧ-мощности, при этом регулятор 3 выполнен в виде аппаратно-программного комплекса, содержащего блок задания параметров 7, выходы которого соединены с блоком визуализации и обработки данных 8 и блоком алгоритмов управления 9, выходы которого соединены с блоком буферизации результатов измерения и вычисленных управляющих воздействий 12 и блоком генерации и выдачи управляющих сигналов 11, выход которого соединен с контуром управления положением вклада СВЧ-мощности, состоящим из магнитной системы управления 4 и обмоток управления положением плазменного шнура 5, при этом блок алгоритмов управления 9 соединен через блок каналов диагностики 10 с датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы. Техническим результатом является возможность управления быстрыми процессами в плазме токамака в режиме реального времени посредством встраиваемого в систему управления плазмой модуля. 4 ил.

Description

Изобретение относится к технике управления в сфере физики плазмы и исследований но управляемому термоядерному синтезу (УТС) и может быть использовано для получения устойчивых операционных режимов с высоким энергосодержанием для создания рентабельного и безопасного термоядерного реактора на базе установки типа токамак. Изобретение используется при построении систем управления быстрыми процессами в плазме токамака в режиме реального времени и представляет собой встраиваемый модуль в систему управления плазмой.
Для создания рентабельного и безопасного термоядерного реактора на базе установки типа токамак необходимо обеспечить получение устойчивых операционных режимов с высоким энергосодержанием. Реализации таких режимов препятствуют развивающиеся в плазме токамака неустойчивости. Наибольшее влияние на удержания энергии в центральных областях плазменного шнура оказывают неустойчивость внутреннего срыва и неоклассические тиринг-моды. Развитие этих мод связано с неблагоприятными профилями плотности тока и давления плазмы. Использование локального воздействия на эти профили с помощью электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева и ЭЦР генерации тока может позволить реализовать контроль этих неустойчивостей.
Известны устройства управлений параметрами плазмы в установках типа токамак, см., например, Патент Украины №14414, оп. 25.04, 1997. Устройство содержит вакуумную систему токамака, блок памяти заданной концентрации, блок управления, блок памяти, в устройстве реализовано управление по программному каналу и по каналу обратной связи с использованием пропорционально-интегрального-дифференциального закона.
Из уровня техники известна автоматизированная система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени собранная на базе комплексов, входящих в состав Токамака TCV (Paley JI et al 2009 Nucl. Fusion 49 085017). Управление неустойчивостью внутреннего срыва плазмы происходит путем модификации профилей плотности тока и давления плазмы, с помощью локального воздействия СВЧ-нагрева. Система управления содержит вакуумную систему токамака, с установленными в ней датчиками рентгеновского излучения плазмы, соединенных диагностическим входом регулятора D-tAcq, выход которого соединен с контроллером, отвечающим за поворот полоидальных зеркал комплекса СВЧ-нагрева, который осуществляет нагрев плазмы токамака по командам оператора автоматического рабочего места (АРМ). Управление зоной вклада СВЧ-мощности осуществляется с помощью изменения в режиме реального времени полоидального угла гиротронных зеркал комплекса СВЧ-нагрева. Недостатком системы является то, что для операционного управления системой задействована сложная прецизионная техника, такая как вакуумные приводы гиротронных зеркал.
Техническим результатом изобретения является получение устойчивых операционных режимов с высоким энергосодержанием за счет управления периодом неустойчивости внутреннего срыва в режиме реального времени с помощью изменения пространственного положения зоны вклада СВЧ-мощности путем изменения токов в обмотке управления положением плазменного шнура, что позволит упростить систему управления.
Для достижения указанного результата предложена система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа Токамак, содержащая автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, соединенное с комплексом СВЧ-нагрева плазмы, вакуумную камеру, с установленными в ней датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы для регистрации периода пилообразных колебаний неустойчивости внутреннего срыва плазмы, соединенных с регулятором пилообразных колебаний, сигнал с которого передают в контур управления положением вклада СВЧ-мощности, при этом регулятор выполнен в виде аппаратно-программного комплекса (АПК), содержащего блок задания параметров, выходы которого соединены с блоком визуализации и обработки данных и блоком алгоритмов управления, выходы которого соединены с блоком буферизации результатов измерения и вычисленных управляющих воздействий и блоком генерации и выдачи управляющих сигналов, выход которого соединен с контуром управления положением вклада СВЧ-мощности. состоящим из магнитной системы управления и обмоток управления положением плазменного шнура, при этом блок алгоритмов управления соединен через блок каналов диагностики с датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы.
Суть изобретения состоит в том, что управление периодом неустойчивости внутреннего срыва плазмы осуществляется благодаря возможности изменять положения вклада СВЧ- мощности гиротронного комплекса путем изменения токов в обмотке управления положением плазменного шнура, что является принципиально другим подходом к решению вопросов управления.
На фиг. 1 показана блок-схема системы управления неустойчивостью внутреннего срыва в режиме реального времени на установках типа токамак, где
1. Вакуумная камера токамака
2. Датчики контроля рентгеновского излучения
3. Регулятор пилообразных колебаний «АПК T-Control»
4. Магнитная система управления токамака
5. Обмотка управления положением плазменного шнура токамака
6. Комплекс СВЧ-нагрева токамака 13. АРМ оператора токамака
На фиг. 2 показана блок-схема регулятора «АПК Т-Control», где
7. Блок задания параметров, включающий модуль управления сценарием плазменного разряда, модуль управления и конфигурации ПИД-регулятора, модуль задания и реализации пользовательских алгоритмов
8. Блок визуализации и обработки данных, обеспечивающий навигацию по базе данных сценариев плазменных разрядов, обработку и визуализацию параметров управления
9. Блок алгоритмов управления, обеспечивающих реализацию логики сценария управления, предварительную обработку и анализ сигналов каналов обратной связи, расчет управляющих воздействий, расчет динамических поправок
10. Блок каналов диагностики, принимающий сигнал с датчиков контроля рентгеновского излучения
11. Блок генерации и выдачи управляющих сигналов, выдающий управляющий сигнал на магнитную систему управления плазмой
12. Блок буферизации результатов измерения и вычисленных управляющих воздействий, выполняющий архивные функции хранения результатов вычислений.
Рассмотрим состав системы и принцип работы системы на примере Токамака-10. Индикатором развития неустойчивости срыва являются периодические колебания температуры и плотности плазмы, так называемые пилообразные колебания, которые хорошо видны на сигналах датчиков контроля рентгеновского излучения 2 (Фиг. 3), выполненных на Токам аке Т-10 виде многопроволочного газового детектора, установленного на фланце вакуумной камеры I токамака Т-10. Сигнал с детектора поступает в блок каналов диагностики 10 регулятора «АПК Т-Control» 3, представляющий собой аппаратно-программный комплекс (АПК), в состав которого входят блоки 7-12. работу которого рассмотрим ниже. Регулятор 3 анализирует и обрабатывает сигнал в режиме реального времени в блоке алгоритмов управления и через блок генерации и выдачи управляющих сигналов 11 передает программу действий для обмотки управления перемещением плазменного шнура 5 через магнитную систему управления токамака Т-10(4. Отдельно, через АРМ оператора токамака 13 подается сигнал запуска на комплекс СВЧ-нагрева 6. Сдвигом плазменного шнура достигается подстройка зоны вклада СВЧ-мощности и, как следствие, регуляция периода неустойчивости внутреннего срыва.
Рассмотрим работу самого регулятора «АКП Т-Control» 3.
Регулятор «АПК Т-Control» - устройство в цепи обратной связи токамака.
Назначение регулятора T-Control в поддержании заданного значения периода пилообразных колебаний относительно текущего значения. Заданное значение периода пилообразных колебаний называется уставкой, а разность между заданным значением и измеряемым - невязкой или рассогласованием.
Реализован следующий алгоритм детектирования периода пилообразных колебаний:
1. Исходный диагностический сигнал с датчиков рентгеновского излучение 2 попадает в блок алгоритмов управления 9. Там он сглаживается методом скользящего среднего и затем методом простого среднего. Полученный сигнал дифференцируется. Отбрасываются значений характерных для выбросов. Результат дифференцирования подвергается дополнительной обработке:
- Группирование и объединение однознаковых значений
- Интегрирование и отбрасывание отрицательных значений.
- Отбрасывание значений, не превышающих «шумовой» порог.
2. Далее в том же блоке 9 происходит вычисление длительности текущего периода пилы и сравнение его с минимальным и максимальным возможными значениями, заданными пользователем в блоке 7.
3. В случае детектирования пилы, происходит вычисление среднего значения периода пилы за заданное число предыдущих полученных периодов.
4. В случае не детектирования пилы обнуление значения среднего периода пилы.
5. В случае не обнуления среднего периода пилы в том же блоке 9 происходит вычисление разности между средним значением периода пилы и текущим полученным значением периода пилы.
6. Полученное значение изменения периода пилы используется в адаптивном алгоритме динамического управления смещением плазменного шнура с учетом изменения периода пилообразных колебаний.
На Фиг. 4 показаны последовательности преобразования диагностического сигнала с датчиков рентгеновского излучения в процессе вычисления периода пилообразных колебаний:
- Pila.S - Диагностический сигнал используемый для детектирования пилообразных колебаний, приходящий в блок каналов диагностики 10
- Pila.S-2 сигнал после предварительной обработки в блоке алгоритмов управления (9).
- Differencial - результат дифференцирования в блоке алгоритмов управления 9.
- Pila.С - результат группирования «однознаковых выбросов» в результате дифференцирования блоке алгоритмов управления 9.
- Pilf.P - амплитуда этого сигнала соответствует периоду пилы в данный момент, а нулевые значения амплитуды соответствуют границам пилообразного колебания.
Сигнал Pila.C позволяет использовать для определения пилообразного колебания следующие характеристики:
- Минимальный период пилы
- Максимальный период пилы
- Минимальная амплитуда пилы
- Максимальная амплитуда пилы
В результате описанной выше процедуры детектирования пилообразных колебаний, определяется период последнего колебания в режиме реального времени. Имея динамику изменения периода пилообразных колебаний в текущий момент времени реализуется вычисление динамической поправки для программы горизонтального смещения плазменного шнура на основе анализа сигнала пилообразных колебаний.
Вычисляемая динамическая поправка суммируется с соответствующим данному моменту времени значением программы горизонтального смещения плазменного шнура и полученное значение используется в регуляторе «АПК T - Control» для задания требуемого положения плазменного шнура в данный момент времени и передачи его в контур управления положением вклада СВЧ-мощности состоящим из магнитной системы управления 4 и обмоток управления положением плазменного шнура 5.
Вычисление динамической поправки выполняется по формуле:
D=Кр*Dy+Kd*(Dy-DyPrev)/Dx+Ki*Integral
Где:
- Integral:=Integral+Dy * Dx;
- Dy - изменение периода последней пилы. (Относительно предыдущей пилы или относительно заданного периода пилы. В первом случае программа будет пытаться увеличить или уменьшить период пилы - в зависимости от заданного знака, во втором случае программа будет пытаться удерживать заданный период пилы.)
- DyPrev - изменение период предпоследней пилы.
- Dx - сумма периодов последней и предпоследней пилы.
- Kp - пропорциональный коэффициент
- Ki - интегральный коэффициент
- Kd- - дифференциальный коэффициент
Дополнительно, в зависимости от заданной стратегии, динамическая поправка может суммироваться с предыдущим достигнутым значением поправки.
Для задания параметров применения динамической поправки в программе смещения плазменного шнура используется конфигурационный файл следующего вида:
Figure 00000001
Реализованные алгоритмы детектирования периода пилообразных колебаний и вычисления динамической поправки смещения (зависящей от изменения периода пилы) достаточно просты для использования в режиме реального времени и имеют значительный потенциал развития в сторону добавления адаптивности.
Регулятор «АПК Т-Control» работает под управлением специализированной 16-ти битной дисковой операционной системы PTS-DOS 2000, совместимой с MS DOS версии 6.22 и выше.
Программное обеспечение реализует следующие основные режимы:
1) Мониторинг (регистрация диагностических каналов для сохранения и последующей математической обработки и анализа).
2) Статическое управление параметрами объекта выдачей заданных программ в каналы управления.
3) Динамическое управление параметрами объекта с использованием сигналов обратной связи и встроенных алгоритмов управления (в том числе пользовательских) по заданным программам изменения параметров. Для многоканального многопараметрического управление регулируемые параметры могут задаваться как начальными/конечными значениями и скоростью изменения, так и массивами заданных значений для каждого момента времени в виде редактируемого текста и через графический интерфейс пользователя. Коэффициенты регулятора могут задаваться индивидуально для каждого заданного временного интервала сценария.
Физически регулятор «АПК Т-Control» включает в себя:
- Системный блок «Т-Control» с цифро-аналоговыми модулями для связи с объектом управления
- Комплект периферийного оборудования
- Рабочую станцию оператора
Все блоки выполнены из стандартных электронных компонентов.
Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа Токамак позволяет повысить качество и расширить возможности системы управления Токамаком. при этом она встраивается в общую систему управления отдельным модулем и не требует кардинального изменения всей системы.

Claims (1)

  1. Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа Токамак, содержащая автоматизированное рабочее место АМР оператора, соединенное с комплексом СВЧ-нагрева плазмы, вакуумную камеру с установленными в ней датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы для регистрации периода пилообразных колебаний неустойчивости внутреннего срыва плазмы, соединенными с регулятором пилообразных колебаний, сигнал с которого передают в контур управления положением вклада СВЧ-мощности, отличающаяся тем, что регулятор выполнен в виде аппаратно-программного комплекса, содержащего блок задания параметров, выходы которого соединены с блоком визуализации и обработки данных и блоком алгоритмов управления, выходы которого соединены с блоком буферизации результатов измерения и вычисленных управляющих воздействий и блоком генерации и выдачи управляющих сигналов, выход которого соединен с контуром управления положением вклада СВЧ-мощности, состоящим из магнитной системы управления и обмоток управления положением плазменного шнура, при этом блок алгоритмов управления соединен через блок каналов диагностики с датчиками контроля рентгеновского излучения плазмы.
RU2017123456A 2017-07-03 2017-07-03 Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак RU2668231C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123456A RU2668231C1 (ru) 2017-07-03 2017-07-03 Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123456A RU2668231C1 (ru) 2017-07-03 2017-07-03 Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2668231C1 true RU2668231C1 (ru) 2018-09-27

Family

ID=63669090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017123456A RU2668231C1 (ru) 2017-07-03 2017-07-03 Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2668231C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113161020A (zh) * 2021-04-20 2021-07-23 核工业西南物理研究院 一种用于托卡马克装置的多***联合等离子体控制平台
CN113780522A (zh) * 2021-08-27 2021-12-10 核工业西南物理研究院 基于深度神经网络的托卡马克等离子体大破裂预测算法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1536527A1 (ru) * 1988-01-18 1990-01-15 Предприятие П/Я А-7797 СВЧ-рефлектометр дл диагностики плазмы
WO2012064767A1 (en) * 2010-11-08 2012-05-18 Lawrence Livermore National Security, Llc Inertial confinement fusion chamber
US20170069399A1 (en) * 2015-09-03 2017-03-09 Apollo Fusion, Inc. Hall effect assisted electron confinement in an inertial electrostatic confinement fusion reactor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1536527A1 (ru) * 1988-01-18 1990-01-15 Предприятие П/Я А-7797 СВЧ-рефлектометр дл диагностики плазмы
WO2012064767A1 (en) * 2010-11-08 2012-05-18 Lawrence Livermore National Security, Llc Inertial confinement fusion chamber
US20170069399A1 (en) * 2015-09-03 2017-03-09 Apollo Fusion, Inc. Hall effect assisted electron confinement in an inertial electrostatic confinement fusion reactor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Система управления плазмой: учебное пособие / В.М. Павлов, А.В. Обходский, Ю.Н. Голобоков, А.В. Овчинников. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. -152 с., ISBN 5-98298-337-3. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113161020A (zh) * 2021-04-20 2021-07-23 核工业西南物理研究院 一种用于托卡马克装置的多***联合等离子体控制平台
CN113780522A (zh) * 2021-08-27 2021-12-10 核工业西南物理研究院 基于深度神经网络的托卡马克等离子体大破裂预测算法
CN113780522B (zh) * 2021-08-27 2023-09-08 核工业西南物理研究院 基于深度神经网络的托卡马克等离子体大破裂预测算法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2668231C1 (ru) Система управления неустойчивостью внутреннего срыва плазмы в режиме реального времени в установках типа токамак
MY197184A (en) Method and apparatus for determining operating state of photovoltaic array, device and storage medium
CN104903044A (zh) 激光脉冲能量控制***及方法
CN104035329A (zh) 一种振动自动化校准***及校准方法
CN103969200B (zh) 用于在测量气体中测量气体成分浓度的方法
KR101524453B1 (ko) 온도 보상기능을 구비한 섬광검출기 및 그 제어방법
CN113885602B (zh) 一种提高温度控制稳定性方法和装置
CN104714203A (zh) 一种电能质量监测装置的校验方法
JP2011247827A (ja) 原子力プラント制御装置、方法、及びプログラム
JP2015200634A (ja) 中性子計測装置の調整装置及びその調整方法
CN102128678A (zh) 一种能量传感器测校装置及方法
RU2743234C9 (ru) Способ контроля плотности нейтронного потока
CN112816758B (zh) 一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法
JP2006029986A (ja) 放射線測定装置
CN203377962U (zh) 一种图像恒定亮度自动调整的电路
JPH1189826A (ja) X線ct装置
CN110579660A (zh) 一种10kV高压成套设备检测装置及检测方法
RU2653163C1 (ru) Способ калибровки счетного канала реактиметра в импульсно-токовом режиме
JP3281665B2 (ja) 未臨界状態における原子炉の制御棒価値測定方法及び制御棒価値測定のための原子炉反応度計
US9742263B2 (en) Method and apparatus for automatically equalizing bus bar voltages of power factor correction PFC circuit
RU2498495C1 (ru) Способ настройки параметров регулятора возбуждения синхронного электрического генератора
CN108680529B (zh) 煤质成分实时精准检测设备的次红外测量***及方法
CN116759285B (zh) 一种射频电源、射频电源的叠层控制环路
CN113985756A (zh) 一种控制连续激光器脉冲能量的方法、装置及存储介质
RU2720712C1 (ru) Способ управления магнитно-индуктивным расходомером и магнитно-индуктивный расходомер