CFETR 20兆瓦电子回旋加热微波系统设计

发布时间：2020-11-18 01:26

　　 电子回旋共振加热和电子回旋电流驱动是可控核聚变实验中等离子体辅助加热和非感应电流驱动的重要方法之一,因此电子回旋波加热系统对CFETR托卡马克装置尤为关键。根据CFETR的装置参数,选取170GHz作为电子回旋波系统微波源的工作频率,向等离子体中注入20MW长脉冲电子回旋波。本文首先介绍了电子回旋波加热系统的总体设计方案,电子回旋波加热系统由微波、高压电源、监控保护以及真空、水冷等子系统构成,其中微波源、传输线和天线组成微波子系统,分别表示微波的产生、传输及馈入过程。高压电源负责给微波源供电,监控保护、真空及水冷保障整个电子回旋波系统的安全可靠运行。其次围绕电子回旋波系统中的微波子系统进行详细设计,分别从微波源、传输线和天线这三个部分进行介绍：(1)对于微波源的探究,从目前国际上回旋管的研制现状出发,选择20只170GHz/1MW长脉冲回旋管组成微波源。以减少微波源占地面积、便利传输线走线为原则,对总体微波源及单个回旋管周边进行布局,微波源总体占地面积约484m2。最后从未来回旋管的发展前景角度,对单管功率2MW的长脉冲回旋管组成的微波源进行分析和部署。(2)以1MW/170GHz长脉冲回旋管组成微波源为前提对20路传输线的布局和走向进行研究,共设计了两种传输线部署方案。对每条传输线中的微波器件进行选取和配置,使得最终每条传输线的功率损耗约为8.7%。(3)采用准光学传输模式,设计了水平天线和顶部天线两种类型的准光学集束天线,整个天线以port-plug模块式结构安装于CFETR装置水平窗口或顶部窗口。在天线的具体研究中,首先利用C3PO/LUKE程序计算出天线中可转动入射镜子的发射位置及发射角度,然后根据高斯光束传输特性采用ZEMAX光学仿真软件对所有波束的传输路径及汇聚情况进行优化,进而可以得到天线中传输线的排布及各个光学镜子的信息。接着对天线中的其他器件，如聚焦镜和可转动镜的水冷结构、可转动镜的驱动结构、包层屏蔽模块及内部屏蔽模块、真空隔离挡板、支撑结构等进行探索。最后结合电磁仿真软件MAXWELL和有限元分析软件ANSYS,对天线受到的电磁力情况进行分析并评估电磁力在BSM上所造成的应力。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

国际热核聚变实验堆?ＩＴＥＲ?（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ?Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ??Ｒｅａｃｔｏｒ）?［１３］是一个正在规划建设中的、为验证全尺寸可控核聚变技术可行性??冊设计的国际超导托卡马克实验堆，如下图１．１所示。??图１．１?ＩＴＥＲ托卡马克装置??ＩＴＥＲ的目标是对长脉冲氣氣自持燃烧物理进行实验研究，实现＇点火＂。ｉｔｅｒ??计划的运行阶段分为Ｈ个时间段［１４］：?（１）?Ｈ阶段：这是一个非核阶段，仅仅??使用氨或者氨等离子体，主要完成一些非核环境中托卡马克系统的任务。同时，??在这个阶段可Ｗ开展和模拟在完全Ｄ－Ｔ阶段的放电操作情况。（２）Ｄ阶段：除了??大量ａ粒子加热这一方面，気等离子体的特性与気氣等离子体特性非常相似，因??此对于気氣实验中的髙Ｑ值、感应运行及非感应稳态运行实验都可Ｗ在気阶段??２??

国际热核聚变实验堆?ＩＴＥＲ?（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ?Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ??Ｒｅａｃｔｏｒ）?［１３］是一个正在规划建设中的、为验证全尺寸可控核聚变技术可行性??冊设计的国际超导托卡马克实验堆，如下图１．１所示。??图１．１?ＩＴＥＲ托卡马克装置??ＩＴＥＲ的目标是对长脉冲氣氣自持燃烧物理进行实验研究，实现＇点火＂。ｉｔｅｒ??计划的运行阶段分为Ｈ个时间段［１４］：?（１）?Ｈ阶段：这是一个非核阶段，仅仅??使用氨或者氨等离子体，主要完成一些非核环境中托卡马克系统的任务。同时，??在这个阶段可Ｗ开展和模拟在完全Ｄ－Ｔ阶段的放电操作情况。（２）Ｄ阶段：除了??大量ａ粒子加热这一方面，気等离子体的特性与気氣等离子体特性非常相似，因??此对于気氣实验中的髙Ｑ值、感应运行及非感应稳态运行实验都可Ｗ在気阶段??２??

?况下）同样适用。在此安装场地，电子回旋加热系统主要由＾乂下子系统组成［３８］：??．１３个窩压电源，２６个回旋管，Ｓ２４路传输线，５个发射天线Ｌ义及一些重要的辅助??巧设备，如控制子系统，冷却子系统等，如图２．２所示。其中，５个发射天线为１??个水平天线和４个顶部天线，两种类型天线的功能与初步方案中设计的天线功能??．■?差别不大，水平天线用来等离子体中如加热、电流驱动和电流剖面控制．顶部天??线主要通过提供一个非常集中的峰值电流密度分布来控制等离子体的不稳定性??（ＮＴＭｓ不稳定性控制和锅齿波不稳定性控制）［３９］。??１０??
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本文编号：2888167