ICRH天线系统与等离子体相互作用的理论研究

发布时间：2020-04-23 12:39

【摘要】：离子回旋共振加热(ICRH)是世界上已有的托卡马克装置和未来的ITER实验装置辅助加热的主要方式之一,它不仅能有效加热等离子体中的离子或电子,而且能进行锯齿控制改善等离子体约束。开展ICRH天线系统与等离子体的相互作用的研究对于实现将来聚变堆稳态运行和等离子体高性能运行具有重要的研究意义。离子回旋共振加热时,天线输入阻抗随等离子体参数变化而变化,当传输线上电流一定,且不产生高压电击穿现象的条件下,相对于传输线的特性阻抗,天线的输入阻抗很小。天线负载的这两个特点使得如何进一步提高ICRH天线耦合到等离子体中的能量和改善天线系统的阻抗匹配效果成为受控核聚变理论研究的重要内容。本文首先根据“能量一次吸收”假设,采用冷等离子体的平板模型结合三维天线模型,计算方法采用Green函数方法求解真空区域的Maxwell方程和变步长四阶龙格库塔方法数值积分求解等离子体的快磁声波方程,研究了ICRH天线与等离子体的耦合。着重数值模拟和讨论了极向对称放置的ICRH双天线的相位差对耦合不对称性的影响、环向对称放置的ICRH双天线的间距对等离子体耦合特性的影响、环向和极向对称放置的ICRH四天线的电流分布、馈线端长度和等离子体密度分布对等离子体耦合特性的影响。接着,根据ICRH天线与等离子体耦合模拟计算获得的天线输入阻抗结合传输线原理分析了离子回旋共振加热时,三支节液态调配器和边界局域模放电条件下双共振环天线的阻抗匹配过程。主要模拟结果表明:1)调节极向对称放置的两天线间的相位差可以控制耦合能量在极向上的不对称性,当相位差满足时,随着相位差的增大,能量在极向上的耦合反对称性增强,当相位差满足时,随着相位差的增大,能量在极向上的耦合反对称性减少,时能量在极向上的耦合反对称性最明显;2)当环向对称放置的双天线同相馈电时,zk适当偏离零点的谱分量(对应最佳吸收的谱分量)所占的比重随双天线间距的增大而减小,天线辐射功率的利用率较低,且等离子体从波中吸收的总能量减少,因此为了增强离子回旋共振加热的效果,应减小双天线的间距;3)在其它实验参数相同的条件下,环向和极向对称放置的ICRH四天线辐射到真空中的功率随天线馈线端长度的增加而增加,天线对称电流分布激发的辐射功率要比天线反对称电流分布激发的高,刮削层密度增加导致ICRH四天线耦合功率增加,其可能的原因是减少了天线发射波到截止层的衰减长度;4)在其它实验参数相同的条件下,等离子体密度剖面变化时,三支节液态调配器满足阻抗匹配的支节液面高度的变化趋势比波源频率变化时要平缓,在某些频段,为了获得ICRH天线系统的阻抗匹配,三支节液态调配器调配的步骤相对复杂一些,调配的速度可能慢些;5)在其它实验参数相同的条件下,波频减小或耦合电阻增大时,ICRH双共振环天线最佳馈入点位置偏离电流带中心位置也越远;6)边界局域模放电条件下,当波源频率在40—70MHz变化时,适当选择最优ICRH双共振环天线的馈入点能减少天线可调电容的变化范围,降低可调电容的工程技术要求。相关模拟结果为ICRH天线系统的优化设计和实验参数的优化选择提供一定的参考。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL624

【参考文献】