大功率RF离子源功率馈入关键技术及实验研究
发布时间：2020-06-19 16:06
【摘要】：中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)是核聚变等离子体最直接有效的加热方式,随着聚变研究的不断深入,对NBI的要求从低功率短脉冲运行逐步演变到高功率长脉冲甚至是稳态运行。射频(Radio Frequency,RF)离子源凭借其具备长脉冲甚至稳态运行的优势,成为未来NBI的首选离子源。射频功率馈入系统用于将射频功率传输到离子源,是获得稳定等离子体放电的关键环节。以解决大功率RF离子源运行存在的功率馈入难题为目标,开展大功率射频功率馈入系统的关键技术及对应的实验研究具有非常重要的意义。根据大功率RF离子源功率馈入系统的组成结构,分析了各单元的工作原理和特性,并结合RF离子源的放电原理,借助仿真软件对RF离子源等离子体放电进行了模拟研究,获得了电子平均密度随射频功率的变化趋势。利用变压器模型理论分析了 RF离子源驱动器的等效阻抗特性,得出了等效阻抗随电子密度的变化趋势,为大功率RF离子源的功率馈入系统的设计奠定了基础。基于大功率RF离子源功率馈入系统特性的分析结果,开展了射频功率馈入关键技术研究。首先,根据NBI对大功率RF离子源的需求,完成了阻抗匹配网络的设计,通过分析获得了主要元件参数的表达式,;其次,设计并研制了大功率高隔离等级的射频隔离变压器,测试表明其静态耐压可达200kVDC,传输效率大于95%,满足了 RF离子源对直流高压隔离和射频功率传输的性能要求;第三,分析了阻抗匹配网络电容参数随驱动器等效阻抗的变化规律,为阻抗匹配网络的研制和实验中最佳匹配调谐提供了指导;:最后,利用仿真工具对阻抗匹配网络进行了仿真研究,验证了设计的可行性和参数计算的准确性。在完成了大功率RF离子源功率馈入关键技术研究的基础上,研制了功率馈入系统并开展了功率馈入特性实验研究。提出了高气压和启动灯丝辅助射频功率馈入的方法,解决了初始等离子体难以激发难题。针对等离子体建立时刻阻抗失谐造成的反射功率过大,发展了控制射频功率爬坡输出的放电方法,实现了在高功率下的等离子体放电。在等离子体放电实验中,通过最佳阻抗匹配扫描分析,获得了驱动器等效阻抗随电子密度的变化趋势,验证了理论分析结果的准确性。在此基础上,获得了50kW高功率、47kW/1000s长脉冲稳定等离子体放电。实验结果表明,研制的大功率RF离子源功率馈入系统合理可行,满足大功率RF离子源开展物理实验的需求。
【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】：2019
【分类号】：TL629.1
【图文】：
学院等离子体物理研究所在２００６年建成并投入运行了世界上第一个全超导、非逡逑圆截面的托卡马克实验装置一ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ逡逑Ｔｏｋａｍａｋ），如图１－１所示。ＥＡＳＴ的科学目标是在近堆芯的高参数条件下研究逡逑等离子体的稳态和先进运行模式，深入探索实现聚变能源应用的工程、物理问逡逑题，为下一代核聚变装置和聚变堆提供物理、工程技术和实验运行基础［５］。逡逑１逡逑
虽然在不同磁约束核聚变装置上使用的中性束注入系统在具体的结构上存逡逑在差异，但它们都遵循中性束注入器的基本工作原理，因此都包含了一些典型逡逑子系统。以ＥＡＳＴ邋ＮＢＩ系统为例，如图１－２所示，中性束注入系统主要包括离逡逑子源系统、束传输系统和辅助系统等。其中，离子源系统用于提供满足一定束逡逑参数的高能离子束。束传输系统用于提供束产生的真空环境和通道、主要包括逡逑真空室、离子束中性化部件、离子偏转部件、用于吸收未中性化的离子部件和逡逑功率测量靶等，其功能为将高能离子束转换为中性束，将未中性化的离子吸收逡逑并转化成热，同时检测束的主要性能参数。辅助系统包括真空抽气系统、电源逡逑及传输系统、水处理系统、计算机控制系统和连锁保护系统等，为离子束的产逡逑生、束传输和束诊断等提供必要的支持。逡逑电网逡逑逦邋逦？液Ｈｅ低ｆｉ制衿]嬪危牛粒樱裕妫妫敉ㄖ棋义希浯湎低冲义稀剩
本文编号：2721031
【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】：2019
【分类号】：TL629.1
【图文】：
学院等离子体物理研究所在２００６年建成并投入运行了世界上第一个全超导、非逡逑圆截面的托卡马克实验装置一ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ逡逑Ｔｏｋａｍａｋ），如图１－１所示。ＥＡＳＴ的科学目标是在近堆芯的高参数条件下研究逡逑等离子体的稳态和先进运行模式，深入探索实现聚变能源应用的工程、物理问逡逑题，为下一代核聚变装置和聚变堆提供物理、工程技术和实验运行基础［５］。逡逑１逡逑
虽然在不同磁约束核聚变装置上使用的中性束注入系统在具体的结构上存逡逑在差异，但它们都遵循中性束注入器的基本工作原理，因此都包含了一些典型逡逑子系统。以ＥＡＳＴ邋ＮＢＩ系统为例，如图１－２所示，中性束注入系统主要包括离逡逑子源系统、束传输系统和辅助系统等。其中，离子源系统用于提供满足一定束逡逑参数的高能离子束。束传输系统用于提供束产生的真空环境和通道、主要包括逡逑真空室、离子束中性化部件、离子偏转部件、用于吸收未中性化的离子部件和逡逑功率测量靶等，其功能为将高能离子束转换为中性束，将未中性化的离子吸收逡逑并转化成热，同时检测束的主要性能参数。辅助系统包括真空抽气系统、电源逡逑及传输系统、水处理系统、计算机控制系统和连锁保护系统等，为离子束的产逡逑生、束传输和束诊断等提供必要的支持。逡逑电网逡逑逦邋逦？液Ｈｅ低ｆｉ制衿]嬪危牛粒樱裕妫妫敉ㄖ棋义希浯湎低冲义稀剩
本文编号：2721031
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