ВКР / Дипломная работа (Э-8) на тему "Разработка системы магнитной изоляции источника плазмы диагностического инжектора токамака Т-15МД"

Что в архиве: Оформление квалификационной работы:

Расчетно-пояснительная записка на 91 листах формата А4.

Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.)
Чертеж А1 – 1 шт.; Плакаты А1 – 6 шт.; Презентация 24 слайда.
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа на тему «Разработка системы магнитной изоляции источника плазмы диагностического инжектора токамака Т-15МД» состоит из 91 страниц, 49 рисунков, 19 формул, 10 таблиц и списка 21 использованных источников.
Объект работы – источник плазмы диагностического инжектора ДИНА.
Цель работы – разработка конструкции магнитного экрана для выполнения условия получения качественного нейтрального пучка.
В настоящей работе приведен обзор на тему использования установок типа ТОКАМАК, использования высокоэнергетичных нейтральных пучков для CXRS-диагностики термоядерной плазмы, а также рассмотрены основные параметры диагностического инжектора ДИНА-КИ60.
В расчетной части была построена вычислительная модель для определения составляющих магнитного поля токамака, определены их значения, а также смоделировано движение пучка положительно заряженных ионов скрещенных электромагнитных полях.
В конструкторской части была создана 3D-модель магнитного экрана, проведен сравнительный анализ конструкционных материалов и создан сборочный чертеж.
Использованные программные комплексы: MATLAB, COMSOL Multiphysics, Autodesk Inventor, ORIGIN PRO.
Ключевые слова: ТОКАМАК, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ, ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ.

СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ. 5
СОДЕРЖАНИЕ. 6
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.. 8
ВВЕДЕНИЕ. 9
Глава 1 – Системы удержания горячей плазмы.. 11
1.1 Открытые магнитные ловушки. 11
1.2 Замкнутые магнитные ловушки. 12
1.3 Магнитное поле торообразного соленоида. 13
1.4 Установки типа токамак. 14
Глава 2 – Установка токамак Т-15МД.. 17
2.1 Электромагнитная система токамака Т-15МД.. 18
2.2 Диагностическая система токамака Т-15МД.. 20
2.3 Диагностический инжектор ДИНА-КИ60. 21
Глава 3 – Расчет полоидального магнитного поля токамака Т-15МД.. 26
3.1 Определение магнитной индукции, создаваемой полоидальной магнитной системой. 27
3.2 Определение составляющих магнитной индукции от тока в плазме. 31
3.3 Определение составляющих магнитной индукции от тока в плазме и тока в полоидальных катушках. 33
Глава 4 – Определение составляющих магнитной индукции тороидального магнитного поля 35
4.1 Создание геометрической модели для расчета. 35
4.2 Задание параметров расчета. 36
4.3 Расчет параметров тороидального магнитного поля, их визуализация и анализ результатов 39
Глава 5 – Определение траекторий заряженных частиц в инжекторе ДИНА.. 43
5.1 Постановка задачи. 45
5.2 Методика расчета. 46
5.3 Моделирование траектории движения ионного пучка между ускоряющими сетками. 47
5.4 Моделирование траектории движения пучка ионов в зоне пучка нейтрализации. 57
Глава 6 – Разработка конструкции магнитного экрана. 64
6.1 Конструктивные требования к магнитному экрану. 66
6.3 Разработанная конструкция и технологические этапы ее изготовления. 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 71
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 72
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 74
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 83

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
УТС – управляемый термоядерный синтез;
CXRS – Charge Exchange Recombination Spectroscopy (активная спектроскопическая диагностика);
CX – Charge Exchange (перезарядка);
ДИНА – диагностический инжектор нейтральных атомов;
ТОКАМАК – тороидальная камера с магнитными катушками;
МП – магнитное поле;
ИТЭР – международный термоядерный реактор;
ЭМС – электромагнитная система;
ОТП – обмотка тороидального поля;
ОИ – обмотка индуктора;
ОУ – обмотка управления;
ОГУП – обмотка горизонтального управляющего поля;
ВК – вакуумная камера;
NBI – neutral beam injector (инжектор нейтральных пучков);
DNB – diagnostic neutral beam (диагностический нейтральный пучок);
ИОС – ионно-оптическая система;

ВВЕДЕНИЕ
Инжекторы нейтральных пучков нашли широкое применение в исследовании проблем управляемого термоядерного синтеза (УТС). Так, нейтральная инжекция является одним из основных способов нагрева плазмы и достижения термоядерных температур. Кроме этого, инжекция нейтральных частиц позволяет проводить диагностику плазмы методом
CXRS-спектроскопии, основанную на анализе CX-спектров, созданных перезарядкой ионов на быстрых нейтральных частицах, введенных в плазму. На токамакеТ-15МД CXRS-спектроскопия будет осуществляться посредством использования нейтрального инжектора ДИНА-КИ60, специально разработанного в Институте Ядерной Физики им. Будкера. Одним из препятствий на пути эффективной инжекции нейтрального пучка является внешнее магнитное поле токамака, отклоняющее частицы до нейтрализации. Для нивелирования данного явления в конструкции инжекторов предусматривается магнитная изоляция, экранирующая внешнее поле и компенсирующая отклонение пучка. Актуальность настоящей работы заключается в том, что физический запуск ДИНА-КИ60 планируется уже на 2022 год, к сроку которого должна быть разработана система магнитного экранирования его элементов, в которых происходит ускорение и движение заряженных частиц.
Целью настоящей работы является создание конструкции магнитного экрана источника плазмы инжектора ДИНА-КИ60 для эффективного экранирования внешнего магнитного поля токамака. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с принципом работы токамака и рассмотреть основные параметры установки Т-15МД;
2. Рассмотреть устройство нейтрального инжектора ДИНА-КИ60 и выделить основные участки ускорения ионного пучка;
3. Создать расчетную модель для определения составляющих магнитной конфигурации токамака;
4. Определить составляющие величины магнитной индукции полоидального магнитного поля и получить топологию его магнитных силовых линий;
5. Определить составляющие величины магнитной индукции тороидального поля и получить ее зависимость от продольной координаты;
6. Создать расчетную модель для определения траекторий заряженных частиц в ускоряющей зоне инжектора;
7. Рассчитать траекторию ионного пучка в ускоряющей зоне нейтрального инжектора и в зоне нейтрализации;
8. Вычислить необходимую величину снижения индукции внешнего магнитного поля для компенсации отклонения пучка ионов в скрещенных электромагнитных полях;
9. Ознакомиться с принципом магнитного экранирования и сформировать конструктивные и технологические требования к магнитной изоляции источника плазмы ДИНА;
10. Провести сравнительный анализ конструкционных материалов и выбрать наиболее оптимальный из них;
11. Разработать 3D-модель магнитного экрана и сборочный чертеж;
12. Сформировать выводы по результатам проведенной работы;

Глава 1 – Системы удержания горячей плазмы

В природных условиях, например в недрах Солнца, температура ядра которого составляет 15 млн К, ядерный синтез достигается путем гравитационного сжатия вещества до огромной плотности (порядка 3,4×10¹¹ атм.), что невозможно воспроизвести в лабораторных условиях [1]. Для того, чтобы воссоздать условия синтеза на Земле, исследователями был выбран иной путь – искусственно увеличивать температуру протекающих реакций для компенсации огромных гравитационных сил звезд. Основной идеей для реализации управляемого термоядерного синтеза стало использование магнитной термоизоляции. Дальнейшее развитие этой идеи позволило выделить два основных способа удержания высокотемпературной плазмы: это использование открытых (незамкнутых) и замкнутых магнитных ловушек.