نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 1339-14155، تهران- ایران

2 گروه قدرت، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، صندوق پستی: 1355-16315، تهران - ایران

چکیده

در این مقاله سیستم تأمین انرژی و تخلیه جریان در سیم‌­پیچ چنبره‌ای توکامک دماوند به منظور افزایش زمان میدان‌های مغناطیسی با هدف افزایش زمان ماندگاری پلاسما، طراحی و شبیه‌سازی شده است. در حال حاضر در این توکامک جریان سیم­‌پیچ چنبره‌ای دارای نیم سیکل سینوسی با مدت زمان ms 100 و پیک جریان kA 12 است که میدان مغناطیس تقریباً T 1/1 در مرکز چنبره تولید می‌کند و ناحیه تخت آن در حدود ms 20 می‌باشد که برای تشکیل و محصورسازی پلاسما استفاده می‌گردد. با هدف ارتقاء توکامک دماوند به منظور افزایش مدت زمان ماندگاری پلاسما به ms 200، ضروری است که سیستم‌های تأمین انرژی و کنترل مربوط به جریان سیم‌­پیچ‌های قطبی و چنبره‌ای جدید طراحی و ارتقاء یابد. برای رسیدن به هدف مذکور، در این مقاله سیستم تأمین انرژی اصلی بر پایه منابع انرژی ذخیره‌ساز ابر خازن با ظرفیت F21، ولتاژ تحمل V900 و چیدمان 7 شاخه سری، 8 شاخه موازی طراحی شده است. هم‌چنین جهت تأمین و تثبیت جریان سیم‌پیچ چنبره‌ای، مبدل چاپر با 7 ماژول موازی به همراه سیستم کنترل حلقه بسته با کنترل‌کننده هیسترزیس طراحی و شبیه‌سازی شده است. سیستم کلی قابیلت تأمین و تثبیت میدان مغناطیسی از محدوده 7/0 تا 2/1 تسلا با ریپل کم‌تر از %2/0 و مدت زمان ms 200 برای ناحیه تخت دارد. هم‌چنین سیستم شارژ بانک ابر خازنی بر اساس مبدل یکسوساز 12 پالسه و مبدل باک با روش جریان ثابت، طراحی و شبیه‌سازی شده است که نتایج مطلوبی را حاصل کرده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Supercapacitors based power supply design for toroidal field coil of upgrade Damavand tokamak

نویسندگان [English]

  • H. Rasouli 1
  • A.R. Darabi 1
  • K. Abbaszadeh 2
  • H. Babaee 1
  • A.H. Maroufkhani 1

1 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O. Box: 14155-1339, Tehran - Iran

2 Faculty of Electrical Engineering, K.N. Toosi University of Technology (KNTU), P.O.BOX: 16315-1355, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this study, the current discharge and the power supply system of toroidal field (TF) coils of Damavand tokamak have been designed and simulated to increase the magnetic field time and consequently the plasma duration. Currently, the TF coil current used to form and confine plasma has a sinusoidal half-cycle waveform with a duration of 100ms and a current peak of 12kA which produces a 1.1T magnetic field at the center of the chamber and its flat-top area is about 20ms. With the aim of upgrading Damavand tokamak, in order to increase the plasma duration to 200ms, it is necessary to upgrade the energy supply system and control system of toroidal and poloidal field coil currents. For this purpose, in this paper, the main power supply system has been designed based on super-capacitors with a capacitance of 21F, voltage of 900V, and topology of series-parallel (7*8). Also, to supply and stabilization of TF current, the chopper converter with seven parallel modules with the closed-loop control system with hysteresis controller has been designed and simulated. The general system is capable of supplying and stabilizing the magnetic field from the range of 0.7 to 1.2 Tesla with a ripple of less than 0.2% and a duration of 200ms for the flat area. Also, the charging system of super-capacitors has been designed and simulated using the 12-pulse rectifier converter and the buck converter with the constant current method, which has achieved desirable results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Toroidal field coil
  • Damavand tokamak
  • Power convertor
  • Supercapacitors
  • Plasma
1. A. Lampasi, S. Minucci, Survey of electric power supplies used in nuclear fusion experiments, In: 17th International Conference on Environment and Electrical Engineering, (IEEE, Milan, 2017) 1-6.
 
2. A. Lampasi, et al., A new generation of power supplies for pulsed loads, Fusion Eng. Des., 146, 1921 (2019).
 
3. A. Magnanimo, et al., Supercapacitors-based power supply for ASDEX upgrade toroidal field coils, Fusion Eng. Des., 171, 112574 (2021).
 
4. I. Ciocan, et al., An improved method for the electrical parameters identification of a simplified pspice supercapacitor model, In: 22nd International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME), (IEEE, Oradea, Romania, 2016), 171-174.
 
5. G. Maffia, A. Lampasi, P. Zito, A new generation of pulsed power supplies for experimental physics based on supercapacitors, In: 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), (IEEE, Rome, 2015), 1067-1072.
 
6. D.K. Sharma, et al., Multimodular, high current, fast response IGBT inverter power supply of SST-1 tokamak, In: 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), (IEEE, Geneva, Switzerland, 2015), 1-10.
 
7. A. Sykes, et al., The ST25 Tokamak for rapid technological development, In: 25th Symposium on Fusion Engineering (SOFE), (IEEE, San Francisco, 2013), 1-4.
 
8. M.A. Torres, Coils and power supply design for the small aspect ratio tokamak (SMART) of the university of Seville, M.Sc. Thesis, Fusion Eng. Des., (2020).
 
9. M.A. Torres, et al., Coils and power supplies design for the SMART tokamak, Fusion Eng. Des., 168, 112683 (2021).
 
10. A. Lampasi, et al., Compact power supply with integrated energy storage and recovery capabilities for arbitrary currents up to 2 kA, IEEE Transactions on Plasma Science, 46(10), (2018).
 
11. A. Lampasi, et al., A new generation of power supplies for pulsed loads, Fusion Eng. Des., 146, 1921 (2019).
 
12. S.K. Nielsen, et al., First results from the NORTH tokamak, Fusion Eng. Des., 166, 112288, (2021).
 
13. H. Rasouli, Identification of the neural nonlinear model of the vertical plasma location in the Damavand tokamak and the design of the neural nonlinear controller, Master's Thesis, Khajeh Nasir University of Technology, (2017( (In Persian).
 
14. J. Taheri, C. RasouliF.A. Davani, Time-Dependent Thermo-Electro-Magneto-Mechanical Analysis of the TF Coil in Damavand Upgrade Tokamak With Longer Pulse Operation, IEEE Transactions On Plasma Science, 49(1), 424 (2021).
 
15. K. Abbaszadeh, Power-Electronics-Design-&-Analysis, (Publication.kntu, May-2015) (In Persian).
 
16. www. Maxwell.com.
17. www.m.made-in-china.com.