發(fā)布時間：2020-11-17 10:46

　　 為了實現(xiàn)聚變裝置中等離子體反應,離子回旋共振加熱(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)天線是主要輔助加熱系統(tǒng)之一。隨著聚變工程的技術發(fā)展與經(jīng)驗積累,聚變實驗裝置的功率不斷攀升,裝置內(nèi)的熱環(huán)境也變得越來越惡劣�；�于目前的EAST以及其他同類型裝置的實驗研究,高熱負荷以及射頻鞘效應損傷法拉第屏蔽現(xiàn)象與ICRH加熱功率相關并且嚴重影響了 ICRH天線高熱負荷部件的耦合特性與結構安全性。目前EAST I窗口四電流帶ICRH天線尚在不具備任何主動冷卻結構的情況下運行功率約為1 MW時已經(jīng)出現(xiàn)了局部高溫區(qū)域甚至一些結構損傷。但EAST裝置未來將進行長脈沖穩(wěn)態(tài)運行需要I窗口ICRH天線具備提供6MW長脈沖射頻功率的能力,甚至在未來聚變裝置中對天線的功率要求更高,因此ICRH天線高熱負荷部件將會受高熱負荷的嚴重威脅。對聚變裝置中ICRH天線高熱負荷部件的熱特性研究能夠提升高熱負荷部件的結構安全性并保證其耦合能力。本文從熱負荷源角度出發(fā)對聚變裝置中ICRH天線高熱負荷部件的熱特性進行了系統(tǒng)性的研究。本文首先完成了 ICRH天線高熱負荷部件表面溫度與天線加熱功率之間相關性的研究�；�于EAST裝置中K窗口紅外相機對ICRH天線高熱負荷部件表面溫度的觀測,確定了 ICRH天線高熱負荷部件表面溫度與天線加熱功率之間成正相關。針對EAST中法拉第屏蔽棒出現(xiàn)嚴重損傷的位置與損傷程度,明確了法拉第屏蔽的易損傷區(qū)域,探究濺射過程中的雜質產(chǎn)生情況。第二步對ICRH天線高熱負荷部件設計中的熱特性進行研究。提出了 ICRH天線高熱負荷部件熱負荷來源的預測與分析方法,闡述了通過坡印廷定理對天線射頻熱損耗進行計算的理論與方法。通過對ICRH天線散射參數(shù)的計算,選取反射系數(shù)最小的頻率作為研究熱特性的基本頻率。通過對材料表面電流傳輸截面的研究,明確了射頻熱損耗的影響因素,主要通過天線表面局部直角結構的過渡、鍍層材料以及環(huán)向電流相位四種因素對射頻熱損耗進行了計算與對比。對比寬電流帶天線與EAST原天線的射頻熱損耗與電磁參數(shù),為電流帶優(yōu)化與升級提供新的思路。第三步對ICRH天線高熱負荷部件的損傷類型與結構安全性判定準則進行了探討與校核。系統(tǒng)性分析了 ICRH天線高熱負荷部件上的熱負荷分布特征,分別探究了適用于天線電流帶與法拉第屏蔽的主動冷卻系統(tǒng)。通過流體動力學、傳熱學以及結構力學多場耦合分析計算,并基于ITER SDC-IC設計準則利用應力判定標準與等效應變范圍-循環(huán)次數(shù)模型校核天線使用壽命。最后對未來聚變堆中更高的熱負荷下法拉第屏蔽的強化換熱結構進行了預研。為了開展對法拉第屏蔽強化換熱結構的結構設計與熱特性研究,模擬聚變裝置中法拉第屏蔽單側受熱的運行環(huán)境,設計并搭建了一套單側可變熱負荷熱特性測試平臺。通過加載不同流體入口速度與熱負荷強度,對法拉第屏蔽強化換熱結構進行了實驗研究并與分析結果進行對比。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

，ＦＰＰ??ＣＦＥＴＲ?＿?：工權敗如１．５．糠態(tài)Ｊ＾ＭＷ．ｌＯｄｐ＊??ｍ?：?ｍｔＳＭ＾Ｓ．?Ｑ＞１０．?１ＧＷ．?ＳＯｄｐａ??研究堆?霸：Ｑ？１０，?４００＊，?５００ＭＷ，?Ｄ?Ｔ？ＷＭＩ并??＂？?：?Ｑ？Ｓ，，０００ｓ，?３５０ＭＷ．?ＷＭＷＷＷＷ糾??ｅａｓｔ?ｍ＾９ｍｍ？ａ?．?ｍ＾Ｍ＾ｍｍｍ＾????Ｍ?全＝｜馬克??ＨＪ?ＴＥＸＴ?Ｍｔ？？子體??２０１Ｓ?２０２０?２０２５?２０１０?２０３Ｓ?２０４０?２０４５?２０Ｓ０?２０ＳＳ?２０？０??圖１．１中國的核聚變發(fā)展技術路線圖??１．１．２聚變裝置??由于托卡馬克工程技術研究更加成熟并且被公認為是最有希望實現(xiàn)聚變的??裝置類型，因此目前主流的聚變裝置均采用了托卡馬克的設計模式。托卡馬克是??一種磁約束聚變裝置，因其通過強磁場將等離子體約束在內(nèi)部真空室內(nèi)而得名。??它的強磁場來自于中心螺線管、極向場線圈和環(huán)向場線圈。托卡馬克的英文縮寫??取自于俄語中的環(huán)形、真空室、磁場和線圈四個單詞的首字母。托卡馬克裝置的??基本參數(shù)主要包括大半徑、小半徑、環(huán)向磁嘗等離子體電流以及脈沖時間長度。??由于托卡馬克的放電模式為脈沖式放電，因此脈沖時間長度也是裝置穩(wěn)態(tài)運行十??分重要的參數(shù)［３］［４］。目前世界上正在運行實驗及在建的托卡馬克裝置主要有??ＡｌｃａｔｏｒＣ－Ｍｏｄ、ＷＥＳＴ、ＫＳＴＡＲ、ＩＴＥＲ和ＥＡＳＴ等裝置，其中主要參數(shù)如表１．??１所示［５］－［８］。雖然ＥＡＳＴ在這些裝置中參數(shù)并不算高，但ＩＣＲＨ天線高熱負荷??部件的熱特性研宄對ＥＡＳＴ裝置以及未來聚變堆的長脈沖穩(wěn)態(tài)運行意義重大。??表１．１主流聚變裝置的主要參數(shù)｜２｜??裝置

?第１章???１０ＭＷ／ｍ２，運行時采用偶極子相位運行。而Ｊ窗口四電流帶ＩＣＲＨ天線的功率??為３?ＭＷ，天線電流帶正面射頻功率密度約為１１?ＭＷ／ｍ２，通過改變電流帶環(huán)向??電流相位來直接發(fā)射波譜。Ｃ－Ｍｏｄ中的三套天線采用了目前比較常用的設計為??共振雙環(huán)式與折疊式電流帶。其中Ｄ和Ｅ窗口天線電流帶具有端部饋入中間接??地的電流帶設計，Ｊ窗口天線電流帶的饋入點位于折疊部分的中部如圖１．２所示。??射頻功率均由３０?Ｑ真空傳輸線饋入。法拉第屏蔽棒采用直徑為０．９５?ｃｍ的鍍銅??的鉻鐵合金６２５金屬棒組成。Ｄ和Ｅ窗口法拉第屏蔽與主磁場方向一致，光學透??過率約為２７％。Ｊ窗口法拉第屏蔽的光學透過率約為５０。／。，并且法拉第屏蔽棒方??向與環(huán)向主磁場平行。其中法拉第屏蔽棒采用Ｗ形設計并且與天線接地結構通??過螺栓連接。法拉第屏蔽單元的徑向長度約為１０ｃｍ，電流帶之間通過隔板隔斷??［２］［１２］。??／?ｊ］＇??ＶＳ?■?■?■?））?Ｐｏｗｅｒ?ｉｎｐｕｌ??（ａ）?（ｂ）??圖１．２?Ａｋａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ中的２條帶天線電流帶（ａ）與４條帶天線電流帶（ｂ）??ＫＳＴＡＲ中的ＩＣＲＨ天線是由四個共振雙環(huán)型電流帶在環(huán)向由隔板隔開沿環(huán)??向排列，并由單層法拉第屏蔽保護，如圖１＞３所示。天線的運行頻率為２５＿６０ＭＨｚ，??每個天線電流帶有兩個同軸線端口位于電流帶兩端，其結構與ＪＴ－６０Ｕ，?ＴＦＴＲ和??ＴＰＸ上的天線電流帶結構相似。上下兩個微波端口相連形成一個共振雙環(huán)從而??組成一個電流帶，再由兩個懸臂與一個Ｔ型結構將他們連接［１３］。??４??

?第１章???Ｖａｃｕｕｍ?Ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ（４Ｘ２）?－＼??Ｍａｉｎ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｌｉｎｅ?—＼??Ｇｕｉｄｅ?Ｒｏｌｅｒ－??＾Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｓｔｒａｐ－４?Ｍｏｖａｂｌｅ?Ｐｌａｔｅ?—＇??＼?Ｃａｖｉｔｙ?Ｂｏｘ??Ｆａｒａｄａｙ?Ｓｈｉｅｌｄ（３３Ｘ２）??圖１．?３?ＫＳＴＡＲ?ＩＣＲＨ天線系統(tǒng)結構??ＪＥＴ中總共有五套丨ＣＲＨ系統(tǒng)，分別為四套Ａ２天線如所示和一套類ＩＴＥＲ??天線（ＩＴＥＲ－Ｌｉｋｅ?Ａｎｔｅｎｎａ），均為共振雙環(huán)型ＩＣＲＨ天線。兩種ＩＣＲＨ天線的高??熱負荷部件如圖１．４所示。類ＩＴＥＲ天線項目于２００１年啟動，其主要目標是為??研宄ＩＴＥＲ裝置內(nèi)部環(huán)境下ＩＣＲＨ天線向等離子體耦合功率性能。類丨ＴＥＲ天線??的功率密度達到８－１０?ＭＷ／ｍ２以研宄在高功率密度下ＩＣＲＨ天線的功率耦合特性。??Ａ２天線由四對極向的共振雙環(huán)天線沿環(huán)向排列組成，而類ＩＴＥＲ天線由八短電??流帶在環(huán)向和極向組成２Ｘ２共振雙環(huán)陣列。Ａ２天線的工作頻率為２３－５７?ＭＨｚ，??加熱功率為６?ＭＷ。類ＩＴＥＲ天線的工作頻率為３０－５５?ＭＨｚ，功率為７．２?ＭＷ。??？ＪＥＴ中常用的環(huán)向電流相位有三種，分別為（０，７ｒ，０，７ｒ），?（０，７ｒ／２，７Ｔ，－７ｒ／２）＆＆??（０，－７ｒ／２，７ｒ，７ｒ／２）［１４］－［２１］ｃ??＿■??圖１．４?ＪＥＴ中的Ａ２天線（ａ）和類ＩＴＥＲ天線（ｂ）的髙熱負荷部件??５??
【參考文獻】

相關期刊論文 前7條

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相關博士學位論文 前1條

1 楊樺;托卡馬克中離子回旋天線的相關理論研究[D];中國科學技術大學;2015年

相關碩士學位論文 前1條

1 吳永兵;EAST新型四電極ICRF加熱天線設計與研究[D];合肥工業(yè)大學;2013年

本文編號：2887411