CFETR上螺旋波电流驱动及天线的物理研究
发布时间：2021-01-18 17:14
未来聚变反应堆需要通过离轴的电流驱动维持和调控电流剖面的分布。一种高次谐波快波,也叫螺旋波（Helicon Wave）,具有与低杂波相近的高驱动效率和无高密度限制的优势,成为未来聚变反应堆一种极具潜力的离轴电流驱动手段。中国聚变工程实验堆（CFETR）将螺旋波离轴电流驱动作为近期的一个重点研究课题。本论文将依托CFETR的工程和物理设计参数,针对螺旋波电流驱动和螺旋波天线设计开展了系统的研究。本论文首先系统地推导了冷等离子体条件下的色散关系,对波的基本特性,包括波的偏振、截止和共振等进行了深入的分析。基于这些基本的波动理论基础,结合目前EAST装置上开展的射频波加热和电流驱动实验,阐述了低杂波电流驱动在托卡马克中的高密度限制以及研究螺旋波电流驱动的必要性。论文重点分析了螺旋波的传播和吸收基本原理以及波的可近性条件。对螺旋波电流驱动数值计算的物理模型进行了介绍,包括射线的传播轨迹和驱动电流计算的基本原理和方法等。利用数值模拟程序,结合CFETR运行参数和平衡文件,进行了相应的螺旋波电流驱动的数值模拟研究,计算了射频波的频率、平行折射率、射线的极向发射位置和等离子体参数（电子温度和电子密度...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＩＴＥＲ托克马克装置结构图
非圆截面托克马克核聚变装置。目前，ＥＡＳＴ已经运行多年并且取得了傲人的成??果。２０１７年７月３日，ＥＡＳＴ装置上实现了稳定的１０１．２秒稳态长脉冲高约束等??离子体运行（如图１．３所示），这在国际上是首例实现百秒级高约束模式运行。??３?ＥＡＳＴＳｈｏ＾?２０１７－０７－０３?２２：０９?－??）２我?１Ｐ（ＭＡ）?Ｌｏｏｐ?Ｖｏｌｔａｇｅ??＾Ｈ１〇??３ｉ?１?？????？一￣Ｉ??ｉｊ?％（關）?；?；?ＰＪＭＷＴ｜｜??一???＾?＾??２１?Ｄ？（ａ?ｕ？?．．??二?ｉ?ｕｉＨ—１?戌??°０?２０?４０?６０?８０?１００?°???Ｔｉｍａ?⑷???ｍ／ｒ＾ｍ??■涵：??ＨＨＬ?：??图１．３?ＥＡＳＴ实现的世界最长１０１．２秒高约束放电等离子体的基本参数??１．２托克马克中的波加热及电流驱动??１．２．?１托克马克中的波加热??只有在温度达到一定高度的条件下才会发生热核聚变反应，以氘氚聚变反应??为例，需要温度达到１０ｋｅＶ以上。就目前各大装置上的研究情况而言，大体上??加热手段有欧姆加热以及外部的辅助加热。欧姆加热一般用来激发等离子体并进??行预加热。其在加热初期效果较好，但是当电子温度升高，电阻降低后，加热效??果则会越来越不理想。想要将等离子体的温度加热到聚变所需要的温度并且稳定??的维持下来，需要借助欧姆加热以外的辅助加热手段。外部辅助加热方式有多种??类型
弯曲磁场会产生其他的足以破坏约束的力作用在等离子体上。这些力的作??用可以通过扭曲力的磁场线来中和（在场线弯曲到环向的前提下）。其结果可见??图１．４，扭曲场是环向场和极向场（该场以环向小横截面为中心环绕）。在托克马??克中，环向场分量大于极向场分量。??场线的扭曲是如何稳定粒子运动的？此处讲的稳定类似于通过在纵流上叠??加环绕管道轴的涡旋（极向）运动来克服在一个长管道中的煤浆中的煤颗粒所受??到的重力作用。磁场中的粒子除了受到重力作用会下降，同时因为涡流运动的夹??带作用，这些粒子会被夹带在磁笼中，但是粒子运动轨迹是偏离中心的并且集中??在磁表面附近。??环向磁场很容易产生，即通过在等离子体外的线圈中的极向电流变化产生。??极向磁场较难产生－可以通过环向电流产生，该电流可以利用欧姆放电感应产生。??但是，由于欧姆变压器的储能有限，维持的时间也就有限，因此只能脉冲式运行。??这样的运行情况下，托克马克组件要承受很大的温度变化，并且产生的热应力会??使得各组件的使用寿命大大缩短。另外
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent ICRF coupling experiments on EAST[J]. 杨宇晴,张新军,赵燕平,秦成明,程艳,毛玉周,杨桦,王健华,袁帅,王磊,琚松青,陈根,邓旭,张开,万宝年,李建刚,宋云涛,龚先祖,钱金平,张涛. Plasma Science and Technology. 2018(04)
[2]First Engineering Commissioning of EAST Tokamak[J]. 万元熙,李建刚,翁佩德. Plasma Science and Technology. 2006(03)
[3]国际热核聚变实验堆（ITER）计划[J]. 赵君煜. 物理. 2004(04)
[4]惯性约束聚变[J]. 徐至展. 自然杂志. 1986(01)
博士论文
[1]EAST上离子回旋天线与等离子体的耦合研究[D]. 张珈珲.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]全波法研究快波电流驱动理论和数值方法确定[D]. 刘燕.南华大学 2007
本文编号：2985327
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＩＴＥＲ托克马克装置结构图
非圆截面托克马克核聚变装置。目前，ＥＡＳＴ已经运行多年并且取得了傲人的成??果。２０１７年７月３日，ＥＡＳＴ装置上实现了稳定的１０１．２秒稳态长脉冲高约束等??离子体运行（如图１．３所示），这在国际上是首例实现百秒级高约束模式运行。??３?ＥＡＳＴＳｈｏ＾?２０１７－０７－０３?２２：０９?－??）２我?１Ｐ（ＭＡ）?Ｌｏｏｐ?Ｖｏｌｔａｇｅ??＾Ｈ１〇??３ｉ?１?？????？一￣Ｉ??ｉｊ?％（關）?；?；?ＰＪＭＷＴ｜｜??一???＾?＾??２１?Ｄ？（ａ?ｕ？?．．??二?ｉ?ｕｉＨ—１?戌??°０?２０?４０?６０?８０?１００?°???Ｔｉｍａ?⑷???ｍ／ｒ＾ｍ??■涵：??ＨＨＬ?：??图１．３?ＥＡＳＴ实现的世界最长１０１．２秒高约束放电等离子体的基本参数??１．２托克马克中的波加热及电流驱动??１．２．?１托克马克中的波加热??只有在温度达到一定高度的条件下才会发生热核聚变反应，以氘氚聚变反应??为例，需要温度达到１０ｋｅＶ以上。就目前各大装置上的研究情况而言，大体上??加热手段有欧姆加热以及外部的辅助加热。欧姆加热一般用来激发等离子体并进??行预加热。其在加热初期效果较好，但是当电子温度升高，电阻降低后，加热效??果则会越来越不理想。想要将等离子体的温度加热到聚变所需要的温度并且稳定??的维持下来，需要借助欧姆加热以外的辅助加热手段。外部辅助加热方式有多种??类型
弯曲磁场会产生其他的足以破坏约束的力作用在等离子体上。这些力的作??用可以通过扭曲力的磁场线来中和（在场线弯曲到环向的前提下）。其结果可见??图１．４，扭曲场是环向场和极向场（该场以环向小横截面为中心环绕）。在托克马??克中，环向场分量大于极向场分量。??场线的扭曲是如何稳定粒子运动的？此处讲的稳定类似于通过在纵流上叠??加环绕管道轴的涡旋（极向）运动来克服在一个长管道中的煤浆中的煤颗粒所受??到的重力作用。磁场中的粒子除了受到重力作用会下降，同时因为涡流运动的夹??带作用，这些粒子会被夹带在磁笼中，但是粒子运动轨迹是偏离中心的并且集中??在磁表面附近。??环向磁场很容易产生，即通过在等离子体外的线圈中的极向电流变化产生。??极向磁场较难产生－可以通过环向电流产生，该电流可以利用欧姆放电感应产生。??但是，由于欧姆变压器的储能有限，维持的时间也就有限，因此只能脉冲式运行。??这样的运行情况下，托克马克组件要承受很大的温度变化，并且产生的热应力会??使得各组件的使用寿命大大缩短。另外
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent ICRF coupling experiments on EAST[J]. 杨宇晴,张新军,赵燕平,秦成明,程艳,毛玉周,杨桦,王健华,袁帅,王磊,琚松青,陈根,邓旭,张开,万宝年,李建刚,宋云涛,龚先祖,钱金平,张涛. Plasma Science and Technology. 2018(04)
[2]First Engineering Commissioning of EAST Tokamak[J]. 万元熙,李建刚,翁佩德. Plasma Science and Technology. 2006(03)
[3]国际热核聚变实验堆（ITER）计划[J]. 赵君煜. 物理. 2004(04)
[4]惯性约束聚变[J]. 徐至展. 自然杂志. 1986(01)
博士论文
[1]EAST上离子回旋天线与等离子体的耦合研究[D]. 张珈珲.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]全波法研究快波电流驱动理论和数值方法确定[D]. 刘燕.南华大学 2007
本文编号：2985327
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