KTX反场箍缩装置中的电源设计和电阻壁模数值计算研究

发布时间：2020-04-13 16:45

【摘要】：科大一环(KTX)是一个新建的反场箍缩(RFP)装置,其大半径R=1.4米,小半径a=0.4米。在2015年8月在KTX上首次成功获得等离子体。本论文工作围绕KTX参数位形展开环形磁约束聚变装置电源系统的设计和电阻壁模的数值研究。其主要目的是为预测放电波形,提供电源反馈控制系统方案,进而控制等离子体平衡和电阻壁模奠定物理理论基础。首先,我们编写了 KTX极向场和纵场耦合的电路模型程序对离子体放电波形进行仿真,以确保电源系统能够实现典型的反场箍缩等离子体放电参数。耦合模型中,采用泰勒态的修正的贝塞尔函数模型来描述沿径向的等离子体电流密度和磁场剖面,然后通过功率平衡方程把极向场和纵场统一到一起。耦合模型的数值解表明ICTX电源系统能够实现预期的放电参数要求,比如反场参数F,箍缩参数(?)，，磁场分布,等离子体电流和环电压等。此外,由于真空室电阻壁对磁场渗透的延迟效果也在耦合电路模型中被考虑。该仿真计算为KTX电源建造提供了重要的理论设计依据。其次,我们发展了一个包含平衡场电源反馈控制系统的电路模型程序,其中平衡场电源系统采用脉冲调制控制器的H-桥设计来实现对等离子体水平位移的控制以满足KTX等离子体平衡要求。发展此程序的目的是验证电源系统设计,同时也为KTX电源系统下一步控制等离子体平衡提供一个灵活可行的设计方案。这部分主要研究目标是为平衡场电源系统提供一个简单有效而又经济可行的设计方案来控制等离子体的平衡。最后,对KTX电阻壁模进行了数值模拟研究。电阻壁模被认为是导致RFP和Tokamak等离子体破裂的重要原因之一,这部分我们对电阻壁模进行了数值研究,其工作主要包含了两部分。(1)NIMROD程序的数值验证工作,采用柱位形下tokamak平衡来检验电阻壁模计算结果。同时我们计算了 Tokamak环效应对电阻壁模的影响。(2)KTX反场箍缩等离子体平衡位形下,我们从能量原理出发推导了基于薄壳近似下电阻壁模色散公式并进行了数值计算分析。首次把NIMROD程序成功应用在了 KTX电阻壁模计算中,给出了值柱位形下电阻壁模的数值解,为进一步计算外部扰动线圈、等离子体流效应和高能粒子对电阻壁模的影响奠定了基础。
【图文】：

反应速率,反应堆容器,能量,等离子体

Ｄ邋＋邋Ｄ邋Ｔ邋＋邋ｐ邋＋邋４．０３邋ＭｅＶ，逡逑Ｄ邋＋邋Ｈｅ＾邋＾邋ａ＋ｐ邋＋邋１８．３ＭｅＶ．逡逑对应的反应率和n鹊墓叵导迹保保琹#l#反应是在现有的实验室条件下最容易逡逑实现的。当聚变堆温度达到１０８—ｌ0９Ｋ这样高的点火温度时，反应堆容器中的氛逡逑l#气体被电离变成等离子体，发生l扁；反应从而实现聚变。为了能够利用聚变产逡逑生的能量，就要求ll#反应产生的能量要大于加热等离子体所需要的能量，并且逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋［ｋｅＶ］逡逑。邋１０＾逦＾逦１０＾逡逑Ｓｐｏ邋＂邋Ｆ逦／逦逡逑／／Ｙ逡逑＝１０邋Ｍ邋／邋／邋／逦＿邋Ｄ，Ｈｅ３逡逑墨邋＾＾１０－逦１０－逦品邋１＾１逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋［ｂｉｌｌｉｏｎ邋Ｋｅｌｖｉｎ］逡逑图１．１邋l#l#反应的温度和反应速率关系逡逑１逡逑

磁场分布,安全因子,磁约束聚变,离子温度

等离子体稳定分析方面，安全因子导致共振面（有理面）的存在。在本论文中，逡逑我们主要关注于环形磁约束装置的两大类：反场缠缩装置和化ｋａｍａｋ装置。他逡逑们最主要区别在于磁场分布和安全因子的不同（见图１．３），从而导致其稳定性持逡逑征也不同。为了衡量环形磁约束装置的约束效率，另一个重要参数是比压／３，定逡逑义为，逡逑ｆ＞邋—邋逦（Ｐｏ）逦逦／１逡逑公＝护（ａ）／（２／／0）．逦（１．６）逡逑上面定义式（１．６）表示等离子体平均热压与等离子体边界磁压力之比，符号〈．．〉逡逑是表示对体积求平均。对于反场恑缩装置，由于较大的极向磁场，极向比压也被逡逑作为描述等离子体的重要参数，定义为，逡逑目ｐ＝户。）逦（１．７）逡逑邱（ａ邋Ｖ邋（２抑）逡逑在ＲＦＰ装置中，成一般可达到１０％？２0％。逡逑１．２．１邋Ｔｏｋａｍａｋ逡逑Ｔｏｋａｍａｋ典型的磁场位形式是具有相对较强的纵向磁场（或称为环向磁场）逡逑台４和相对较弱的极向磁场公０，既公０？公０，见图１．４。Ｔｏｋａｍａｋ的安全因子一逡逑般随着径向ｒ单调增加
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL631

【参考文献】