EAST新型ICRF加熱天線設計與研究final電子教案

1、 分類號 密級 UDC 編號 中國科學院研究生院碩士學位論文EAST新型ICRF加熱天線設計與研究 王成昊 指導教師 宋云濤 研究員 中國科學院等離子體物理研究所 申請學位級別 碩士學位 學科專業(yè)名稱 精密儀器及機械 論文提交日期 2010年4月 論文答辯日期 2010年5月18日 培養(yǎng)單位 中國科學院合肥物質科學研究院 學位授予單位 中國科學院研究生院 答辯委員會主席 教授 聲 明 本人呈交的學位論文EAST新型ICRF加熱天線設計與研究，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權

2、的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產(chǎn)權歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要 摘 要離子回旋共振加熱是托卡馬克裝置中非常有效的輔助加熱手段之一。隨著EAST超導托卡馬克裝置的建成，及雙共振環(huán)(RDL)離子回旋加熱天線的投入使用，離子回旋共振這種經(jīng)濟有效的加熱方式為EAST裝置實驗提供了有力的保證。為了實現(xiàn)EAST裝置1000秒以上穩(wěn)態(tài)、高參數(shù)等離子運行的最終物理目標以及探尋更加合理有效的離子回旋加熱方式等目的，必須研制另一套離子回旋加熱天線。本課題主要圍繞新型離子回旋加熱天線機械結構部分的設計，關鍵部件的相關結構、傳熱及電

3、磁等分析以及天線加工制造進行論述。首先對天線的設計目標及設計準則進行描述，并介紹了天線的基本結構及其關鍵部件。根據(jù)其物理及工程要求，參考國內外天線的成功案例并結合EAST托卡馬克裝置實際情況，完成離子回旋加熱天線總體結構設計以及其關鍵部件，電流帶，法拉第屏蔽，真空傳輸線以及真空饋口的設計。對新型離子回旋共振加熱的分析采用有限元方法，根據(jù)EAST及ICRF天線運行時的實際工況，首先分析法拉第屏蔽、電流帶在等離子破裂及在由Halo電流引起的感應電流等作用下所產(chǎn)生的電磁力，及其應力分布。同時，對真空饋口的電場分布及電壓駐波比等電物理特性以及在加熱頻率下的高頻特性進行了分析計算。其次，結合EAST基本

4、運行參數(shù)，對法拉第屏蔽及電流帶進行了不同結構、不同工況下的傳熱分析，獲得其溫度分布，并對在法拉第屏蔽及電流帶上所產(chǎn)生的熱應力等進行分析模擬，對于真空饋口在加熱頻率下的發(fā)熱量進行計算，比較真空饋口在自然冷卻及主動冷卻兩種條件下的溫度分布及應力分布。最后綜合所有工況對法拉第屏蔽、電流帶及真空饋口等進行結構分析，驗證設計的合理性、安全性及可靠性。新型離子回旋加熱天線成功的進行了加工制造以及整體裝配工作，并于2010年3月進行了工程調試及EAST春季實驗，為等離子體提供了1.2MW的加熱功率計諸多關實驗數(shù)據(jù)，驗證了新型離子回旋加熱天線的結構運行性能及計算仿真結果。關鍵詞：EAST超導托卡馬克；離子回旋

5、加熱天線；法拉第屏蔽；電流帶；真空饋口；有限元分析；EAST實驗 EAST新型ICRF加熱天線設計與研究AbstractDesign and Study of new type ICRF antenna for EAST Superconducting Tokamak DeviceChenghao Wang (Subject: Precision Instrument and Machinery)Directed by Professor Yuntao SongAbstractIon Cyclotron Range of Frequency (ICRF) heating is one of t

6、he very effective ways for auxiliary heating in EAST superconducting Tokamak. With the success of bringing the primary Resonant Double Loop (RDL) ICRF antenna into operation, the advantage of economical and effective of ICRF heating has provided strong support for the experiment of EAST. To meet the

7、 final aim of EAST: over 1000 seconds steady state and high parameter plasma operation, as well as search for more reasonable and effective way of plasma heating, it is very necessary to develop another new ICRF antenna. This thesis details the mechanical design of antenna, structural, thermal and e

8、lectromagnetic analysis of key components and manufacturing of antenna.Firstly, the thesis introduced the ICRF system and the ICRF system for EAST superconducting Tokamak. Then the thesis described the design target and criteria of new type ICRF antenna for EAST. Based on the design target and crite

9、ria, as well as the research of ICRF antennas, the structure of antenna and the key components, as faraday shield, straps, vacuum transmitter lines and vacuum feedthrough was designed to meet the aim of EAST device experiment. The analysis of new type ICRF Antenna uses the FEM method, according to t

10、he actual experimental environment of EAST and ICRF. Firstly, the distribution of eddy current in faraday and straps due to disruption of plasma was simulated. Then the electromagnetic force and stress in faraday shield and straps was calculated by software. Meanwhile, analysis of distribution of el

11、ectric field and voltage-standing-wave-ratio (VSWR) in different heating frequency has been processed. Then, according to the parameter of EAST experiment, the temperature distribution in faraday and straps was obtained by the thermal analysis of them under different working condition and with diffe

12、rent structure. With the temperature distribution, thermal stress on faraday shield and straps was simulated. Temperature and thermal stress on vacuum feedthrough was compared between air cooling and active cooling with the condition of heating frequency power loss. At last, all the boundary conditi

13、ons were applied on the analysis modeling to verify the reasonability, safety and reliability of design. With the success of new type ICRF antenna manufacturing and assembly, the new antenna has been debugged and brought into operation of EAST. Obtaining lots of experiment data, the simulation resul

14、ts have been demonstrated objectively.Key words: EAST super conducting Tokamak,；Ion Cyclotron Range Frequency Antenna； faraday shield； strap； vacuum feedthrough； FEM analysis； experiment目 錄目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc259797894 摘 要 PAGEREF _Toc259797894 h I HYPERLINK l _Toc259797895 Abstract

15、PAGEREF _Toc259797895 h III HYPERLINK l _Toc259797896 目 錄 PAGEREF _Toc259797896 h V HYPERLINK l _Toc259797897 第1章 緒論 PAGEREF _Toc259797897 h 1 HYPERLINK l _Toc259797898 1.1聚變研究歷史及前景 PAGEREF _Toc259797898 h 1 HYPERLINK l _Toc259797899 1.1.1核聚變原理1-3 PAGEREF _Toc259797899 h 1 HYPERLINK l _Toc259797900

16、1.1.2磁約束聚變研究的歷史與前景4-6 PAGEREF _Toc259797900 h 2 HYPERLINK l _Toc259797901 1.1.3我國磁約束核聚變研究的歷史與未來展望7-12 PAGEREF _Toc259797901 h 3 HYPERLINK l _Toc259797902 1.2離子回旋加熱原理13-17 PAGEREF _Toc259797902 h 4 HYPERLINK l _Toc259797903 1.3國內外離子回旋共振加熱現(xiàn)狀18-19 PAGEREF _Toc259797903 h 5 HYPERLINK l _Toc259797904 1.4

17、本文主要研究的內容、目的及意義 PAGEREF _Toc259797904 h 6 HYPERLINK l _Toc259797905 第2章 新型ICRF天線的設計準則及結構設計 PAGEREF _Toc259797905 h 7 HYPERLINK l _Toc259797906 2.1引言 PAGEREF _Toc259797906 h 7 HYPERLINK l _Toc259797907 2.2EAST離子回旋加熱系統(tǒng)介紹20-25 PAGEREF _Toc259797907 h 7 HYPERLINK l _Toc259797908 2.3新型EAST離子回旋加熱天線設計參數(shù)及準則

18、26-35 PAGEREF _Toc259797908 h 10 HYPERLINK l _Toc259797909 2.4新型EAST離子回旋加熱天線結構設計 PAGEREF _Toc259797909 h 13 HYPERLINK l _Toc259797910 2.4.1法拉第屏蔽及側部保護板結構設計 PAGEREF _Toc259797910 h 14 HYPERLINK l _Toc259797911 2.4.2電流帶結構設計 PAGEREF _Toc259797911 h 17 HYPERLINK l _Toc259797912 2.4.3天線箱體設計 PAGEREF _Toc25

19、9797912 h 19 HYPERLINK l _Toc259797913 2.4.4真空傳輸線設計 PAGEREF _Toc259797913 h 20 HYPERLINK l _Toc259797914 2.4.5真空饋口設計 PAGEREF _Toc259797914 h 23 HYPERLINK l _Toc259797915 2.4.6天線支撐及驅動系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc259797915 h 29 HYPERLINK l _Toc259797916 2.5本章小結 PAGEREF _Toc259797916 h 32 HYPERLINK l _Toc259797917

20、 第3章 新型ICRF天線傳熱-結構分析 PAGEREF _Toc259797917 h 34 HYPERLINK l _Toc259797918 3.1引言 PAGEREF _Toc259797918 h 34 HYPERLINK l _Toc259797919 3.2ICRF天線傳熱機制和類型49 PAGEREF _Toc259797919 h 34 HYPERLINK l _Toc259797920 3.3ICRF天線傳熱-結構分析 PAGEREF _Toc259797920 h 35 HYPERLINK l _Toc259797921 3.3.1法拉第屏蔽傳熱結構分析 PAGEREF

21、_Toc259797921 h 35 HYPERLINK l _Toc259797922 3.3.2電流帶傳熱-結構分析 PAGEREF _Toc259797922 h 37 HYPERLINK l _Toc259797923 3.3.3真空饋口傳熱-結構分析 PAGEREF _Toc259797923 h 42 HYPERLINK l _Toc259797924 3.4本章小結 PAGEREF _Toc259797924 h 47 HYPERLINK l _Toc259797925 第4章 新型ICRF天線電磁-結構分析及電物理特性評定 PAGEREF _Toc259797925 h 48

22、HYPERLINK l _Toc259797926 4.1引言 PAGEREF _Toc259797926 h 48 HYPERLINK l _Toc259797927 4.2新型ICRF天線電磁分析計算 PAGEREF _Toc259797927 h 48 HYPERLINK l _Toc259797928 4.3新型ICRF天線電磁力分析計算 PAGEREF _Toc259797928 h 54 HYPERLINK l _Toc259797929 4.4真空饋口電物理特性評定 PAGEREF _Toc259797929 h 56 HYPERLINK l _Toc259797930 4.4.

23、1真空饋口電場分布計算 PAGEREF _Toc259797930 h 56 HYPERLINK l _Toc259797931 4.4.2真空饋口電壓駐波比計算 PAGEREF _Toc259797931 h 57 HYPERLINK l _Toc259797932 4.5本章小結 PAGEREF _Toc259797932 h 58 HYPERLINK l _Toc259797933 第5章 新型ICRF天線制造、裝配及實驗 PAGEREF _Toc259797933 h 59 HYPERLINK l _Toc259797934 5.1引言 PAGEREF _Toc259797934 h

24、59 HYPERLINK l _Toc259797935 5.2新型ICRF天線制造及裝配 PAGEREF _Toc259797935 h 59 HYPERLINK l _Toc259797936 5.2.1法拉第屏蔽制造及裝配 PAGEREF _Toc259797936 h 59 HYPERLINK l _Toc259797937 5.2.2電流帶制造及裝配 PAGEREF _Toc259797937 h 61 HYPERLINK l _Toc259797938 5.2.3傳輸線及真空饋口制造及裝配 PAGEREF _Toc259797938 h 62 HYPERLINK l _Toc259

25、797939 5.2.4ICRF天線總體裝配 PAGEREF _Toc259797939 h 63 HYPERLINK l _Toc259797940 5.3新型ICRF天線實驗情況 PAGEREF _Toc259797940 h 66 HYPERLINK l _Toc259797941 5.4本章小結 PAGEREF _Toc259797941 h 67 HYPERLINK l _Toc259797942 第6章 全文總結 PAGEREF _Toc259797942 h 68 HYPERLINK l _Toc259797943 參考文獻 PAGEREF _Toc259797943 h 71

26、HYPERLINK l _Toc259797944 碩士期間發(fā)表論文、申請專利及獲得的獎勵 PAGEREF _Toc259797944 h 75 HYPERLINK l _Toc259797945 致 謝. PAGEREF _Toc259797945 h 76第1章 緒論緒論聚變研究歷史及前景核聚變原理1-3和平利用核聚變不僅符合人類社會可持續(xù)發(fā)展，低碳的目標，更是可以為人類社會的發(fā)展提供無限的能源。核聚變反應主要有如下幾種反應： 2D + 2D 3T + p + 4.04 MeV (1-1) 2D + 2D 3He + n +3.27 MeV (1-2) 2D + 3T 4He + n +

27、17.58 MeV (1-3) 2D + 3He 4He + p + 18.34 MeV (1-4)從上式可看出，產(chǎn)生核聚變能的主要燃料直接或間接地都為氘，將這四個反應式相加便得到：6 2D 2 4He + 2n + 2p + 43.23 M eV (1-5)式（1-5）表明消耗6個氘原子便可釋放出43.23MeV的能量，而氘廣泛存在于海水中，含量大約是1014噸，若全部用于聚變反應，所釋放的能量可供人類使用上百億年。同時由式（1-5）可以看出，反應產(chǎn)物是He，中子和質子，沒有長壽命高放射性產(chǎn)物，不會對環(huán)境造成嚴重污染，符合可持續(xù)發(fā)展，低碳，無限的能源條件。要想利用聚變是所釋放的能量，必須使得

28、其能量能夠按照人的需要進行釋放，這既是所謂的“授控”技術。進行受控核聚變反應需要滿足兩個條件：一，需要極高的溫度，氘核與氚核的聚變反應，溫度須在五千萬度以上，而兩個氘核的聚變反應，溫度須一億度；二，需要充分的約束：充分約束將高溫等離子體維持足夠長的時間(相對而言)，以便充分地發(fā)生聚變反應。磁約束聚變是聚變方法的一種，它是在一定的真空容器中，采用特殊的加熱方法將氘、氚燃料加熱到聚變反應溫區(qū)(1億度以上)，使氘原子分離成帶正電的和帶負電的粒子，從而形成了“等離子體”，利用特殊設計的磁容器，將這種高溫等離子體穩(wěn)定地約束在該真空容器內，使聚變反應能夠穩(wěn)定進行。原理圖如圖1.1所示，圖1.1磁約束聚變原

29、理圖20世紀下半葉，聚變能的研究取得重大的進展，磁約束研究領先于其它途徑而被認為是最富成效且最有希望的。磁約束聚變研究的歷史與前景4-6從核武器研究開始之時，人類就希望把它的能量用于和平目的。直到20世紀60年代后，蘇聯(lián)科學家在T-3 Tokamak上利用強磁場克服等離子體的宏觀穩(wěn)定性方面取得突破性的進展，等離子體的各項參數(shù)（等離子體溫度T1,Te0.8Kev、等離子體密度Ni31013/cm-3和能量約束時間E20ms）有很大的提高。從此世界上就掀起了“托卡馬克”熱。從1968年到現(xiàn)在，全世界共同建造了幾十個大大小小不同尺寸，不同要求的托卡馬克，把核聚變研究推向一個新的高度，結果異常豐富，其

30、主要成就包括（1）基本上沒有發(fā)現(xiàn)一直困擾磁約束聚變的宏觀穩(wěn)定性問題；（2）實驗數(shù)據(jù)和當時崇拜的新經(jīng)典理論預期結果基本一致。1997年10月，由歐共體建造的目前最大的托卡馬克裝置“歐洲聯(lián)合環(huán)”即JET裝置上進行了幾次氘氚粒子密度為1:1的實驗中，聚變輸出功率已達16MW，而聚變性能因子（即聚變輸出功率與為加熱等離子體而輸入的功率比）已達0.6以上。所有這些成就都表明了在托卡馬克裝置上實現(xiàn)基于氘氚燃料的磁約束聚變反應的科學可行性。世界上最先建成并投入運行的超導托卡馬克有：俄羅斯的T-15（1993年）、法國的TORE-SUPRA（1988年）、中國的HT-7（1994年）和日本TRIAM-1M（1

31、986年）。隨著科學的發(fā)展和研究的進一步深入，目前又有更先進的超導托卡馬克已經(jīng)建成并相繼投入運行.如中國的HT-7U(EAST),韓國的KSTAR和日本的JT-60SU都是全超導托卡馬克，縱場和極向場均采用超導線圈，可以開展先進的穩(wěn)態(tài)研究。另外還有正在建造的先進超導托卡馬克，如國際熱聚變實驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）。ITER是由美國、歐盟、印度，日本、韓國、俄羅斯和中國聯(lián)合建造的磁約束聚變實驗堆，ITER將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，首次建造可實現(xiàn)大規(guī)模聚變反應的聚變實驗室，將研究解

32、決大量的技術難題，其目標是驗證和平利用聚變能的科學和技術可行性，在物理上對長脈沖氘氚自持燃燒進行實驗研究，在工程上對實驗反應堆相關技術進行探索。根據(jù)受控磁約束核聚變規(guī)劃可以看出，ITER是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步, 有可能直接決定真正聚變示范電站（DEMO）的設計和建設，并進而促進商用聚變電站的更快實現(xiàn)。圖1.1為磁約束核聚變發(fā)展規(guī)劃圖。圖1.2 磁約束核聚變的發(fā)展規(guī)劃圖據(jù)估計，人類有望在2050年前后將使用聚變能。我國磁約束核聚變研究的歷史與未來展望7-121974年，在中國科學院物理研究所建成中國第一臺托卡馬克裝置CT6。80年代初期，中科院等離子體物理研究所和西南物理研究所分

33、別建成了托卡馬克聚變實驗裝置HT6M和HL1，在這兩個裝置上對歐姆加熱、波驅動電流、波加熱、改善等離子體約束、實現(xiàn)低約束模（L模）向高約束模（H模）轉換等方面進行全面、系統(tǒng)的實驗研究。1994年通過國際合作和國家的大力支持，中國科學院等離子體所將原蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的T-7裝置成功的改建成可以進行實驗研究的超導托卡馬克裝置HT-7，使我國成為了法、日、俄之后第四個擁有超導磁體托卡馬克裝置的國家。1995年HT-7裝置第一次放電成功，經(jīng)過多年的運行和實驗，2007年春季實驗中長脈沖運行突破歷史紀錄，放電時間已達到400秒，為我國核聚變研究走向世界打下了堅實的基礎，同時也積累了大量寶貴的經(jīng)驗。E

34、AST裝置是1998年國家正式立項2006年建成的具有非圓截面等離子體位形和全超導磁體的先進的托卡馬克裝置，此裝置可以開展托卡馬克穩(wěn)態(tài)運行及改善等離子體約束等前沿性課題的研究，探索適合的先進聚變反應堆的運行模式。EAST裝置及其附屬系統(tǒng)的建成，使我國成為世界上少數(shù)幾個擁有大型非圓截面超導托卡馬克裝置的國家，為我國核聚變研究進入世界前沿奠定了堅實的技術基礎。離子回旋加熱原理13-17所有托卡馬克的等離子體最初都由環(huán)向電流提供歐姆加熱，這樣可以加熱到1Kev以上。在早期托卡馬克裝置實驗中，一般由環(huán)向電流提供歐姆加熱，但是隨著等離子體溫度的提高，歐姆加熱的貢獻幾乎可以忽略。為了使等離子體達到氘氚燃燒

35、所需要的溫度，必須采取一些輔助加熱手段對其加熱。到目前為止，主要的輔助加熱有：中性粒子束注入（NBI）加熱方法和射頻電磁波（RF）共振吸收的加熱方法。這兩種方法已經(jīng)成功應用于托卡馬克裝置以及磁鏡、仿星器等其它類型的等離子體裝置。對于射頻波加熱來說，射頻加熱有阿爾芬波、離子回旋波、低混雜波、電子回旋波共四個頻段可供選擇。從加熱的實驗結果來看，在這四個頻段的射頻加熱中，最令人鼓舞的是離子回旋共振（Ion Cyclotron Resonance Frequency-ICRF）加熱。 12,13。離子回旋共振加熱過程是由高頻發(fā)生器發(fā)射出的RF功率由發(fā)射天線發(fā)送給等離子體，在等離子體中激發(fā)起離子回旋波，

36、使等離子體在RF功率的頻率下達到共振，實現(xiàn)等離子體的回旋共振加熱。其實質是將外部離子回旋頻率的射頻波”注入”到等離子體中,通過波與等離子體的相互作用來實現(xiàn)對等離子體的加熱。整個加熱過程包括波的激發(fā)、波的傳播和模式轉換以及波的吸收和熱化，如圖1.3所示。圖1.3ICRF加熱原理示意圖在離子回旋波頻段中存在兩支波，其中一支波叫“慢波”，為左旋橢圓偏振波，與離子轉動方向一致，對離子起加速的作用。另一支波對應于，故而稱為“快波”，是右旋偏振波，對離子起減速作用。因為在托卡馬克裝置中的磁場是不均勻的，左旋的離子回旋波不能在等離子體中自由傳播（截止區(qū)在等離子體表面附近），而頻率接近離子回旋頻率的右旋快波雖

37、然能在等離子體中傳播，但不能對離子加熱，目前主要采用高次諧波，少數(shù)粒子基頻加熱以及快波模式轉換等幾種方式來對等離子體進行加熱。無論是雙成分離子模式，或者高次諧波加熱模式，還是快波模式轉換加熱方式，都觀察到離子或電子的明顯加熱效果，而且在加熱過程中許多豐富的物理機制有待我們進一步的深入研究，這正是各大裝置紛紛采用其輔助加熱的原因。國內外離子回旋共振加熱現(xiàn)狀18-19在幾種射頻加熱技術中，離子回旋共振加熱取得了比較好的實驗結果。托卡馬克裝置中的ICRF加熱始于70年代，由于它能加熱離子或者電子，并且其加熱系統(tǒng)的造價相對較低，因而被廣泛用于國內外各大小型聚變裝置。1974年在ST上進行的ICRF加熱

38、實驗就證明離子得到加熱，后來在TFR和PLT上進行了大功率的ICRF加熱，其中在PLT上的加熱功率最大時可達4MW。實驗證明，外部注入的能量首先被（510）的H或者3He吸收，這些高能的少數(shù)類離子再在氘等離子體中通過碰撞，從而有效地整體加熱氘等離子體。觀測到離子加熱效率竟然可達40以上，有著非常明顯的離子整體加熱效果。自80年代以來，隨著TFTR、JET、D-D、JT-60、 TORE SUPPRA和ASDEX裝置等大裝置投入運行，ICRF加熱實驗與理論發(fā)展又邁進了一大步，得到了大量的新實驗結果，其中一些實驗結果對未來聚變堆建設都具有重要的參考價值。例如，經(jīng)過升級改造的ASDEX裝置ICRF加

39、熱天線，ICRF加熱天線耦合到等離子體中的能量最大到達7.2MW。歐洲聯(lián)合環(huán)JET和法國的TORE SUPRA長脈沖ICRF加熱實驗，分別達到了20s和3分鐘以上，注入的功率密度達到和超過了16MW/m2，無論是單獨應用還是中性注入聯(lián)合都實現(xiàn)了從LH模的轉換。特別是在TFTR裝置上通過ICRF與中性束注入的協(xié)同，獲得了最佳的加熱效果，它在耦合射頻功率達到12MW條件下，離子溫度上升了10Kev。在C-MOD裝置上最大粒子密度達到31014cm3。這些實驗成果為在反應堆芯密度條件下的加熱提供了有益的參考。EAST離子回旋加熱系統(tǒng)也已搭建完成，并于2008年設計研制了一套雙共振換離子回旋加熱天線，

40、結合HT-7上的離子回旋加熱經(jīng)驗，成功的對EAST等離子體提供了加熱實驗。為了滿足EAST全超導托卡馬克第一階段的實驗目標，也為了尋求更高效合理的加熱模式，決定再設計一套新型的離子回旋加熱天線，為將來EAST超導托卡馬克裝置高參數(shù)物理實驗提供所需要的能量14,16。本文主要研究的內容、目的及意義離子回旋共振加熱系統(tǒng)是一個復雜科學工程，涉及到力學，電磁學，微波，核聚變物理、機械制造等多個基礎學科，它主要包括功率源、傳輸系統(tǒng)、阻抗匹配系統(tǒng)和加熱天線四大部分。它是近些年來發(fā)展最快的輔助加熱手段，不管是在物理機制還是工程技術方面都取得了很大的進展。在我國經(jīng)過HT-7超導托卡馬克裝置的10多年運行和實驗

41、研究，功率源、傳輸系統(tǒng)和阻抗匹配系統(tǒng)三部分經(jīng)過不斷的改進和完善，積累了大量相關的實驗和研制經(jīng)驗，因而比較容易實現(xiàn)大功率連續(xù)波運行的物理目標。并且與2008年成功研制并運行了一套雙共振環(huán)離子回旋加熱天線，積累了大量的工程及理論經(jīng)驗。目前最大的困難是如何設計出性能優(yōu)良的離子回旋共振加熱天線來滿足穩(wěn)態(tài)連續(xù)波運行。根據(jù)EAST超導托卡馬克裝置的物理要求，必須發(fā)展相應的高功率、可穩(wěn)態(tài)、連續(xù)波運行的ICRF加熱天線。本論文對EAST新型ICRF加熱天線開展了全面的工程分析研究。從整個工程的安全、可靠、優(yōu)質等方面考慮，在ICRF加熱天線在設計加工之前，通過了充分地調研，了解目前國外其它先進裝置上有關離子回旋

42、加熱天線的設計經(jīng)驗；在設計時，通過運用CATIA大型三維設計軟件對整個ICRF天線建模和通過各種有限元分析軟件對ICRF加熱天線關鍵部件進行結構性仿真和其它一系列相關分析計算，對設計的可行性及可靠性進行了一系列的判斷。通過對EAST裝置ICRF加熱天線關鍵部件的一系列的相關分析計算和參與ICRF加熱天線的設計、加工、制造，使得我國未來對ICRF加熱天線的進一步優(yōu)化改進或者計更高功率的ICRF加熱天線獲得了技術儲備和相關分析數(shù)據(jù)，而且還為我國在ICRF加熱天線制造和裝配方面積累了豐富的理論經(jīng)驗和工程經(jīng)驗。第2章 新型ICRF天線的設計準則及結構設計新型ICRF天線的設計準則及結構設計引言許多實驗

43、證明，離子回旋共振加熱時托卡馬克實驗裝置中非常有效的輔助加熱手段之一。近些年來在HT-7及EAST裝置上都取得了很大的進展。但目前國際上各個托卡馬克裝置上的離子回旋共振加熱天線大都是脈沖式結構，不能實現(xiàn)長時間連續(xù)波運行，已漸漸成為制約托卡馬克裝置實驗的“瓶頸”。要實現(xiàn)EAST裝置1000秒以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進模式運行的最終目的，必須研制一種適合配套的，可穩(wěn)態(tài)連續(xù)波運行的離子回旋共振加熱天線。離子回旋共振加熱天線包括高頻信號源、相位控制器、發(fā)射機、阻抗調配器、功率分配器及ICRF天線等部分。其中信號源及發(fā)射機等技術已經(jīng)成熟，關鍵為ICRF天線的設計是否能夠滿足其實驗的要求。ICRF共振加熱

44、天線的設計主要考慮以下幾個方面的問題：足夠大的功率總量以及功率密度；射頻的能量損耗；法拉第屏蔽結構設計；阻抗匹配及材料選擇等。針對以上問題，本章主要詳細介紹了ICRF天線的設計準則以及ICRF天線的結構設計過程，同時也為后面章節(jié)的分析計算提供參考模型。EAST離子回旋加熱系統(tǒng)介紹20-25EAST超導托卡馬克實驗裝置時為了發(fā)展研究先進的托卡馬克聚變反應堆基礎物理問題，以期實現(xiàn)1000秒以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的現(xiàn)金運行模式的最終目標而建立的先進裝置。EAST裝置計劃輔助加熱和電流驅動裝置如表2.1所示，有離子回旋共振（ICRF）加熱，低雜波（LHCD）加熱，電子回旋（ECRF）加熱和中性束（NBI

45、）加熱等方式，從提供能量大小的角度來看，離子回旋共振加熱是EAST主要的加熱方式之一。表2.1 EAST裝置上的加熱和電流驅動裝置基本參數(shù)：加熱和電流驅動提供的能量ICRF36MWLHCD3.5MWECRH0.5MWNBI8 MWEAST離子回旋共振加熱系統(tǒng)如圖2.1所示，主要由高頻信號源、相位控制器、發(fā)射機、阻抗匹配器、加熱天線等主要部件組成。圖2.1 離子回旋共振加熱系統(tǒng)框圖發(fā)射機是RF波能量的源頭，實驗時為加熱天線發(fā)射一定頻率的能量。EAST離子回旋共振加熱系統(tǒng)共有四臺發(fā)射機，每臺可以提供1.5MW的能量，圖2.2為EAST離子回旋發(fā)射機組組成。圖2.2 離子回旋共振加熱系統(tǒng)發(fā)射機在EA

46、ST離子回旋共振加熱系統(tǒng)中，同軸傳輸線的特征阻抗和發(fā)射機的特征阻抗都是50，而天線的輸入阻抗是隨著等離子體參數(shù)的變化而變化的。尤其在有邊界局域模（ELM）活動的期間和L模向H模轉換期間，邊緣密度分布發(fā)生變化引起等離子體耦合阻抗也快速的變化，這些將會導致天線的輻射阻抗與RF傳輸線系統(tǒng)不匹配，功率將沿著傳輸線從天線反射，有可能會產(chǎn)生打火現(xiàn)象。因此必須在天線與發(fā)射機之間引入一套可調配阻抗的裝置，通過調節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡使其產(chǎn)生一個適當?shù)母郊臃瓷洳ǎc天線負載上所產(chǎn)生的反射波在指定的參考面上等幅、反相來相互抵消，從而達到匹配目的。如圖2.3所示為EAST離子回旋加熱天線的匹配系統(tǒng)。 圖2.3 離子回旋共振

47、加熱系統(tǒng)阻抗匹配裝置ICRF天線是整個離子回旋共振加熱系統(tǒng)中的射頻發(fā)射裝置。目前，托卡馬克裝置上用的ICRF天線有很多種，如縫天線、諧振腔天線、折疊波導天線和環(huán)天線等，但應用最廣泛的是環(huán)天線。最簡單的環(huán)天線通常是一條（或者數(shù)條）金屬帶，金屬帶一端短路接地，另一端與傳輸線相連，形成高頻回路。目前國際上所使用的ICRF環(huán)天線主要有三種模型，分別為普通天線模型，極向二元陣天線和調諧極向二元陣天線模型，如圖2.5所示。圖2.4 a)普通天線 b)極向二元陣天線 c)調諧極向二元陣天線在圖2.4中，三種天線上電流帶的電壓幅值和電場幅值可由公式（2-1）和公式（2-2）求得。 （2-1） （2-2）是電流

48、帶短路處的電流幅值，d 是天線電流帶與法拉第屏蔽之間的距離，是運行頻率，為電流帶的單位長度電感，為電流帶的長度。從公式（2-1）和（2-2）可知，對于給定的輸入功率和電流幅值，在單位長度的電流帶電感相同的條件下，電流帶長度越長，天線電流帶的電壓幅值和電場強度幅值就越大。根據(jù)圖2.5.a，普通天線電流帶長度較長，所以普通天線容易導致天線的電弧行為產(chǎn)生嚴重的雜質問題。因此，為了減少電流帶上的最大電壓和電場（保持電流和頻率為常數(shù)），應該減小天線電流帶的長度。目前國際上的托卡馬克裝置中使用的環(huán)天線大都采用短天線模型，各大托卡馬克裝置ICRF天線如圖2.4所示，分別左上為C-MOD，右上為JET-EP，

49、左下為KSTAR，右下為Tore-supar。圖2.4 國外各大裝置ICRF天線在法國TORE SUPAR裝置上首創(chuàng)了16MW/m2的高功率密度記錄。各大裝置的ICRF天線也都取得了令人矚目的成就。新型EAST離子回旋加熱天線設計參數(shù)及準則26-35EAST超導托卡馬克裝置時一個具有非圓截面的大型超導托卡馬克裝置。此裝置建造目的是開展穩(wěn)態(tài)、安全及高效運行的先進托卡馬克聚變反應堆基礎物理問題的實驗研究。根據(jù)EAST的最終試驗目標，實現(xiàn)1000秒以上穩(wěn)態(tài)運行，研制適合裝置實驗的ICRF天線是非常有必要的。一套雙共振環(huán)（Resonant Double Loop RDL）離子回旋加熱天線已經(jīng)研制成功并

50、成功投入試驗運行并取得了良好的成績。為了尋求更合理、高效的離子回旋加熱方式，決定研制一套新型ICRF天線。其設計參數(shù)如表2.2所示：表2.2 .EAST 新型ICRF加熱天線的結構參數(shù)：頻率可調范圍30110MHZRF輸出能量1.53MW發(fā)射機端傳輸線的特性阻抗50電流帶的特性阻抗50真空傳輸線的特性阻抗50電流帶的相速度0.63c (c 為光速)新型ICRF加熱天線的設計要求如下：天線的材料選擇需考慮托卡馬克裝置的特殊要求，對于金屬材料需具有無磁，低出氣率等特性，對于非金屬及絕緣材料需具有耐高溫，低出氣率，良好的力學性能等特性。天線的整體設計需符合新型ICRF天線物理設計要求。電流帶結構參數(shù)

51、需根據(jù)目標等離子體位型進行設計。盡量提高天線的功率容量。天線在EAST放電實驗期間需能根據(jù)等離子體位型變化，對天線位置進行調節(jié)，調節(jié)范圍為-150mm+150mm。調節(jié)精度為1mm。對天線的設計要注意天線特征阻抗的控制，包括饋口、傳輸線及電流帶等部分的阻抗均要符合50的設計要求。保證天線的真空密封性能以及真空保持能力，對天線部件的出氣性進行考慮。保證天線的裝配性及可維護性，盡量減少天線部件之間的焊接連接，同時還需保證天線的總漏率不得超過10-10Pa.m3/s。對于新型ICRF加熱天線設計材料的選用，需結合托卡馬克裝置的運行環(huán)境以及ICRF加熱天線的運行特征來進行。托卡馬克裝置運行環(huán)境為強磁場

52、環(huán)境，且其內部為超高真空環(huán)境，等離子體溫度為上KeV。因此作為天線的結構材料，必須要具備以下幾個特點：材料需為無磁材料。因裝置在運行過程中，其磁場強度在不斷地變化，有磁及弱磁材料均會產(chǎn)生感應磁場從而有可能影響等離子體的位型控制；材料需有良好的結構強度性能。天線處于裝置內部，在裝置運行過程中會受到不同形式載荷的沖擊，因此其材料力學性能必須能夠承受來自各種形式的載荷；較好的電導率。因天線與真空室相連，會在等離子體放電過程中產(chǎn)生感應電流等，因此需要有較好的電導率以減少這些感應電流在天線部件上產(chǎn)生熱量，另外由于傳輸線用于射頻波傳輸，其上的損耗需盡量降低，因此其材料的電導率便需要盡量的減小。而相對于結構

53、材料而言，天線的絕緣材料更為關鍵，作為絕緣介質及絕緣支撐的材料，也需同時滿足以下幾個要求：結構強度良好。因為無論是介質還是支撐，均不可避免的會受到力的作用，因此在實驗過程中，保證其結構的完整性是至關重要的因素；絕緣性能好。天線中的絕緣材料均用于真空傳輸線中，而真空傳輸線內外導體之間的最大電壓將會達到幾十KV，因此在此種情況下，擁有良好的絕緣性能是保證天線穩(wěn)定運行的關鍵因素；介質損耗小。因絕緣材料處于高頻作用下，不可避免的會在其上產(chǎn)生介質損耗，從而發(fā)熱影響其性能。因此選擇介質損耗角較小的絕緣材料可以有效的降低介質損耗及提升結構可靠性；出氣率小。天線處于超高真空環(huán)境下，絕緣介質的出氣率大小直接影響

54、到整個裝置的運行穩(wěn)定性，況且如第3點所述材料在高頻作用下會發(fā)熱，從而提高材料的出氣率。因此對于出氣率的要求必須予以保證。綜合上述對于結構材料及絕緣材料的要求，最終選擇下列幾種材料作為天線設計及制造的標準材料：結構材料：主體結構材料 316L不銹鋼絕緣材料：95%氧化鋁陶瓷饋口過渡環(huán)材料：無氧銅(TU1)316L為奧氏體不銹鋼，具有無磁，低出氣率，機械強度高，加工性能和焊接性能出眾等特點。316L不銹鋼化學成分、物理特性及力學性能如表2.3、2.4所示。表2.3 316L不銹鋼材料化學成分（%）CMnSiCrNiPS316L0.032.01.0016.018.012.015.00.0350.03

55、表2.4 316L不銹鋼材料的物理特性密度g/cm3楊氏模量GPa泊松比熱膨脹系數(shù)K-1x10-6比熱容J/(kg.K)電阻率屈服強度（MPa）7.981860.294155001.2e629095%氧化鋁陶瓷物理性能如表2.5所示，表2.5：95陶瓷材料性能密度（g/cm3）楊氏模量（GPa）泊松比吸水率（%）介質損耗（10-4）絕緣強度（kv/mm）介電常數(shù)3.62600.20.2504.015910表2.6無氧銅材料特性密度g/cm3楊氏模量GPa泊松比熱膨脹系數(shù)K-1x10-6電阻率屈服強度（MPa）8.941180.317220如上述表中可以計算出316L不銹鋼及無氧銅的許用應力，在

56、ICRF加熱天線中，安全系數(shù)取1.5，則316L不銹鋼的許用應力為290/1.5=193MPa；無氧銅的許用應力為220/1.5=146MPa。對ICRF加熱天線結構中的金屬材料進行應力強度校核時，一般采用第三強度理論(最大剪應力理論)和第四強度理論(剪切應變能理論)進行校核。第三強度理論采用屈雷斯卡應力(Tresca Stress)作為相當應力進行校核，其值為最大主應力與最小主應力之差(最大剪應力)的兩倍。第四強度理論則采用馮米塞斯應力 (Von Mises Stress)作為相當應力進行校核，其值的平方為三個主應力中兩兩之差的平方和的一半34,35。新型EAST離子回旋加熱天線結構設計與一

57、般的機械設備設計不同，ICRF天線處于高真空、強磁場及高能粒子轟擊等工況下。其特殊的工作環(huán)境決定了其特殊的材料選擇及設計方案。新型ICRF天線主要由法拉第屏蔽及其側部保護板、電流帶、天線箱體及窗口連接法蘭、真空傳輸線、真空饋口及天線支撐驅動等部分組成，如圖2.5所示，為天線總體示意圖及各個關鍵部件。本節(jié)將對ICRF天線各個關鍵部分進行詳細的闡述。圖2.5 天線總體及各關鍵部件示意圖法拉第屏蔽及側部保護板結構設計法拉第屏蔽是ICRF天線非常重要的關鍵部件，位于ICRF天線中的最前端，直接面對等離子體。法拉第屏蔽主要作用有：1.避免電流帶直接暴露在等離子體中受到高能粒子的轟擊；2.減少因受到高能粒

58、子轟擊而濺射出的雜質；3.將不必要的場分量屏蔽掉，而允許激發(fā)磁聲波的場分量不受影響的通過；3.可以改變天線的電特性；4.抑制共軸模式的產(chǎn)生，避免邊緣加熱；5.在一定程度上降低了等離子體中射頻場的強度。除此之外，使用法拉第屏蔽還能提高ICRF的加熱效率，實驗表明，使用法拉第屏蔽可以提高2倍的加熱效率21,39。由于直接面對等離子體，因此，在對法拉第屏蔽的設計過程中，對其冷卻回路的設計成為主導因素之一。如圖2.6a)所示，法拉第屏蔽主要由法拉第屏蔽箱體及法拉第屏蔽冷卻水管兩個部分焊接裝配組成。 圖2.6 a)法拉第屏蔽設計模型 b)冷卻回路設計示意圖法拉第屏蔽面對等離子體弧面根據(jù)等離子體位型近似擬

59、合而成如圖2.7所示。圖2.7 等離子體位型圖法拉第屏蔽整體材料均采用316L不銹鋼。法拉第屏蔽箱體高度為770mm，寬度為475mm，左右板采用18mm 316L不銹鋼加工而成，上下箱體蓋板厚度為20mm，中間隔板厚度為30mm。因在實驗中法拉第屏蔽距離等離子體距離約為10mm，因此中間隔板向后收縮20mm，來近似擬合環(huán)向等離子體形狀。法拉第屏蔽冷卻水管采用10-1不銹鋼管彎制而成，每側各有42根，兩根相鄰冷卻水管軸線距離為16mm，法拉第屏蔽總體透明度為(16-10)*41/(16*41+10)37%。新型ICRF天線法拉第屏蔽冷卻水管與原有雙共振環(huán)天線冷卻水管不同，原有法拉第屏蔽冷卻水管

60、與裝置環(huán)向成7的斜角，而新型ICRF天線法拉第屏蔽冷卻水管與裝置環(huán)向平行，以此來研究裝置總磁場角度對于離子回旋加熱效果的影響。法拉第屏蔽冷卻回路的設計是關鍵的一項，由于直接面對等離子體，法拉第屏蔽冷卻水管上的熱載荷很大。因此，必須對法拉第屏蔽冷卻結構回路進行設計。基于現(xiàn)有的技術及經(jīng)濟性考慮，決定采用去離子水冷方式來對法拉第屏蔽進行冷卻。因為冷卻水管內徑較小為8mm，共有84根水管，因此采用并聯(lián)水路的設計方案，方案的具體實施方式如下所述：去離子水由下方的進水口進入，首先對法拉第屏蔽的下蓋板進行冷卻，然后進入左側總水路，左側42根冷卻水路并聯(lián)分布在左側總水路一線，去離子水通過左側水管后進入中間隔板