基于极向磁能转移的托卡马克等离子体破裂缓解方法研究

发布时间：2020-08-03 10:49

【摘要】：在破裂过程中,等离子体内能和极向磁能快速耗散在真空室内部,产生热沉积、电磁力和逃逸电流三大破裂危害。国际热核聚变试验堆(InternationalThermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来聚变装置的等离子体内能和极向磁能巨大,等离子体破裂危害对装置的安全运行及寿命造成了严重的威胁,因而必须对等离子体破裂造成的危害进行缓解。目前最有效的破裂缓解方法是杂质注入,杂质注入在理论上可以缓解ITER装置等离子体破裂造成的危害,但是在实践中仍然存在一些亟待解决的问题,比如杂质注入引起的热辐射分布不均匀和杂质注入水平还达不到完全缓解逃逸电流的要求等。本文从新的角度,提出基于极向磁能转移(Magnetic Energy Transfer,MET)的破裂缓解方法,简称极向磁能转移。该方法利用与等离子体耦合的磁能转移线圈(简称MET线圈),在破裂过程中通过电磁耦合将真空室内部的极向磁能部分转移到真空室外部,减小耗散在真空室内部的极向磁能,进而减小耗散在真空室内部的总能量,达到破裂缓解的目的。在正常放电过程中MET线圈处于开路状态,仅在破裂过程中通过触发连接开关快速导通,因此MET线圈仅在破裂过程中工作,对正常放电没有任何影响。本文结合J-TEXT装置的结构特点和参数对基于极向磁能转移的破裂缓解方法展开研究,探索极向磁能转移的可行性及对破裂危害的缓解效果,为ITER及未来聚变装置提供参考。本文完成的工作主要包括:首先,研究了 J-TEXT装置破裂过程中的极向磁能耗散规律,为研究极向磁能转移奠定了基础。结合J-TEXT装置的结构特点和参数,分析了等离子体与极向场线圈、真空室的耦合关系,利用ANSYS有限元软件计算了破裂前后极向磁能的大小和分布,并通过实验对分析结果进行了验证。分析得到了 J-TEXT装置在破裂过程中有80-100%的极向磁能耗散在真空室内部的结论。其次,研究了基于极向磁能转移的破裂缓解方法。建立了J-TEXT极向磁能转移分析模型,利用该模型分析了典型的极向磁能转移过程,分析了 MET线圈参数对极向磁能转移效率的影响,开展了 J-TEXT极向磁能转移实验,实验验证了相关分析结果。研究发现MET线圈与等离子体的相对位置决定了二者的耦合系数,而二者的耦合系数是影响磁能转移效率的关键参数。在J-TEXT装置采用偏置线圈做为MET线圈的情况下,磁能转移效率最高达到25.3%,破裂过程中耗散在真空室内部的极向磁能可以降低到65.9%。最后,研究了极向磁能转移对逃逸电流的缓解效果。在破裂过程中随着等离子体电流的下降,MET线圈中建立与等离子体电流同向的感应电流,可以减小破裂过程中的环向感应电场,进而缓解逃逸电流。在实验中观测到磁能转移可以有效缓解逃逸电流。J-TEXT装置上的极向磁能转移研究结果显示,该方法可以有效减小破裂过程耗散在真空室内部的极向磁能,同时还可以有效缓解逃逸电流。极向磁能转移与杂质注入等现有破裂缓解方法的原理不同,但是二者可以协同缓解破裂危害,以获得更好的破裂缓解效果。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL612
【图文】：

经过半个世纪的不懈努力，Ｗ托卡马克装置为代表的磁约束核聚变研巧取得了逡逑很大的进展，引领了聚变研究的潮流。托卡马克装置是利用磁场来约束和加热等离逡逑子体的聚变实验装置，托卡马克原理示意图如图１－１所示。纵场线圈产生与等离子体逡逑电流平行的环向磁场，将等离子体约束在环向真空室内部。等离子体电流与极向场逡逑线圈及中也螺线管通过变压器原理进行z1合，通过欧姆加热对等离子体进行加热。逡逑装置在运行过程中，再配合其它加热及约束方式，使等离子体达到足够高的温度，逡逑从而发生聚变反应■逡逑１逡逑

磁能从真空室内部转移到真空室外部，减小破裂过程中耗散在真空室内部的极向磁逡逑能，进而实现破裂缓解。逡逑磁能转移工作原理如图１－２所示，该方法需耍增加一组与等离子体~合的ＭＥＴ逡逑线圈，并与一个连接开关和一个电阻负载相互串联构成磁能转移系统。在破裂过程逡逑中，等离子体电流巧灭会在ＭＥＴ线圈中产生感应电动势。当闭合连接开关使ＭＥＴ逡逑线圈导通时，感应电动势将在ＭＥＴ线圈中建立与等离子体电流同向的感应电流，进逡逑而~合等离子体的极向磁能，并将岕合的磁能导出真空室被电阻负载消耗。连接开逡逑关仅在破裂瞬间快速闭合并导通ＭＥＴ线圈，在正常放电时处于断开状态，使ＭＥＴ逡逑线圈处于开路状态，对正常放电没有影响。逡逑磁能转移通过减小破裂过程中耗散在真空室内部的极向磁能，进而减小冷等离逡逑子体欧姆加热消耗的极向磁能

析Ｊ－ＴＥＸＴ破裂过程中的极向磁能耗散规律，需要结合Ｊ－ＴＥＸＴ装置的数。因此，本节将分别介绍Ｊ－ＴＥＸＴ装置的铁总、极向场线圈和真空室。逡逑铁巧逡逑铁狂的托卡马克具有欧姆加热场线圈的物理设计简单和等离子体区域特点。铁芯体积和磁感应强度的饱和值决定了铁芯可提的供伏秒数，体放电时间的长度。铁芯磁感应强度的饱和值一般为２Ｔ左右，为了增电时间，需要增大铁芯的体积，进而增大铁抵可Ｗ提供的伏秒数。随置规模越来越大，等离子体放电参数越来越高，放电时间越来越长，求越来越大，对铁芯体积的要求也越来越大。现代大型托卡马克装置要求，在工程上实现起来难度很大，因此大型装置一般都是空也的。逡逑ＥＸＴ装置铁芯为日字型，由中也柱和铁扼组成。据Ｊ－ＴＥＸＴ资料记载，

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本文编号：2779527