聚变装置离子回旋共振加热天线高热负荷部件的热特性研究

发布时间：2020-11-17 10:46

　　 为了实现聚变装置中等离子体反应,离子回旋共振加热(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)天线是主要辅助加热系统之一。随着聚变工程的技术发展与经验积累,聚变实验装置的功率不断攀升,装置内的热环境也变得越来越恶劣。基于目前的EAST以及其他同类型装置的实验研究,高热负荷以及射频鞘效应损伤法拉第屏蔽现象与ICRH加热功率相关并且严重影响了 ICRH天线高热负荷部件的耦合特性与结构安全性。目前EAST I窗口四电流带ICRH天线尚在不具备任何主动冷却结构的情况下运行功率约为1 MW时已经出现了局部高温区域甚至一些结构损伤。但EAST装置未来将进行长脉冲稳态运行需要I窗口ICRH天线具备提供6MW长脉冲射频功率的能力,甚至在未来聚变装置中对天线的功率要求更高,因此ICRH天线高热负荷部件将会受高热负荷的严重威胁。对聚变装置中ICRH天线高热负荷部件的热特性研究能够提升高热负荷部件的结构安全性并保证其耦合能力。本文从热负荷源角度出发对聚变装置中ICRH天线高热负荷部件的热特性进行了系统性的研究。本文首先完成了 ICRH天线高热负荷部件表面温度与天线加热功率之间相关性的研究。基于EAST装置中K窗口红外相机对ICRH天线高热负荷部件表面温度的观测,确定了 ICRH天线高热负荷部件表面温度与天线加热功率之间成正相关。针对EAST中法拉第屏蔽棒出现严重损伤的位置与损伤程度,明确了法拉第屏蔽的易损伤区域,探究溅射过程中的杂质产生情况。第二步对ICRH天线高热负荷部件设计中的热特性进行研究。提出了 ICRH天线高热负荷部件热负荷来源的预测与分析方法,阐述了通过坡印廷定理对天线射频热损耗进行计算的理论与方法。通过对ICRH天线散射参数的计算,选取反射系数最小的频率作为研究热特性的基本频率。通过对材料表面电流传输截面的研究,明确了射频热损耗的影响因素,主要通过天线表面局部直角结构的过渡、镀层材料以及环向电流相位四种因素对射频热损耗进行了计算与对比。对比宽电流带天线与EAST原天线的射频热损耗与电磁参数,为电流带优化与升级提供新的思路。第三步对ICRH天线高热负荷部件的损伤类型与结构安全性判定准则进行了探讨与校核。系统性分析了 ICRH天线高热负荷部件上的热负荷分布特征,分别探究了适用于天线电流带与法拉第屏蔽的主动冷却系统。通过流体动力学、传热学以及结构力学多场耦合分析计算,并基于ITER SDC-IC设计准则利用应力判定标准与等效应变范围-循环次数模型校核天线使用寿命。最后对未来聚变堆中更高的热负荷下法拉第屏蔽的强化换热结构进行了预研。为了开展对法拉第屏蔽强化换热结构的结构设计与热特性研究,模拟聚变装置中法拉第屏蔽单侧受热的运行环境,设计并搭建了一套单侧可变热负荷热特性测试平台。通过加载不同流体入口速度与热负荷强度,对法拉第屏蔽强化换热结构进行了实验研究并与分析结果进行对比。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

，ＦＰＰ??ＣＦＥＴＲ?＿?：工權败如１．５．糠态Ｊ＾ＭＷ．ｌＯｄｐ＊??ｍ?：?ｍｔＳＭ＾Ｓ．?Ｑ＞１０．?１ＧＷ．?ＳＯｄｐａ??研究堆?霸：Ｑ？１０，?４００＊，?５００ＭＷ，?Ｄ?Ｔ？ＷＭＩ并??＂？?：?Ｑ？Ｓ，，０００ｓ，?３５０ＭＷ．?ＷＭＷＷＷＷ糾??ｅａｓｔ?ｍ＾９ｍｍ？ａ?．?ｍ＾Ｍ＾ｍｍｍ＾????Ｍ?全＝｜马克??ＨＪ?ＴＥＸＴ?Ｍｔ？？子体??２０１Ｓ?２０２０?２０２５?２０１０?２０３Ｓ?２０４０?２０４５?２０Ｓ０?２０ＳＳ?２０？０??图１．１中国的核聚变发展技术路线图??１．１．２聚变装置??由于托卡马克工程技术研究更加成熟并且被公认为是最有希望实现聚变的??装置类型，因此目前主流的聚变装置均采用了托卡马克的设计模式。托卡马克是??一种磁约束聚变装置，因其通过强磁场将等离子体约束在内部真空室内而得名。??它的强磁场来自于中心螺线管、极向场线圈和环向场线圈。托卡马克的英文缩写??取自于俄语中的环形、真空室、磁场和线圈四个单词的首字母。托卡马克装置的??基本参数主要包括大半径、小半径、环向磁尝等离子体电流以及脉冲时间长度。??由于托卡马克的放电模式为脉冲式放电，因此脉冲时间长度也是装置稳态运行十??分重要的参数［３］［４］。目前世界上正在运行实验及在建的托卡马克装置主要有??ＡｌｃａｔｏｒＣ－Ｍｏｄ、ＷＥＳＴ、ＫＳＴＡＲ、ＩＴＥＲ和ＥＡＳＴ等装置，其中主要参数如表１．??１所示［５］－［８］。虽然ＥＡＳＴ在这些装置中参数并不算高，但ＩＣＲＨ天线高热负荷??部件的热特性研宄对ＥＡＳＴ装置以及未来聚变堆的长脉冲稳态运行意义重大。??表１．１主流聚变装置的主要参数｜２｜??装置

?第１章???１０ＭＷ／ｍ２，运行时采用偶极子相位运行。而Ｊ窗口四电流带ＩＣＲＨ天线的功率??为３?ＭＷ，天线电流带正面射频功率密度约为１１?ＭＷ／ｍ２，通过改变电流带环向??电流相位来直接发射波谱。Ｃ－Ｍｏｄ中的三套天线采用了目前比较常用的设计为??共振双环式与折叠式电流带。其中Ｄ和Ｅ窗口天线电流带具有端部馈入中间接??地的电流带设计，Ｊ窗口天线电流带的馈入点位于折叠部分的中部如图１．２所示。??射频功率均由３０?Ｑ真空传输线馈入。法拉第屏蔽棒采用直径为０．９５?ｃｍ的镀铜??的铬铁合金６２５金属棒组成。Ｄ和Ｅ窗口法拉第屏蔽与主磁场方向一致，光学透??过率约为２７％。Ｊ窗口法拉第屏蔽的光学透过率约为５０。／。，并且法拉第屏蔽棒方??向与环向主磁场平行。其中法拉第屏蔽棒采用Ｗ形设计并且与天线接地结构通??过螺栓连接。法拉第屏蔽单元的径向长度约为１０ｃｍ，电流带之间通过隔板隔断??［２］［１２］。??／?ｊ］＇??ＶＳ?■?■?■?））?Ｐｏｗｅｒ?ｉｎｐｕｌ??（ａ）?（ｂ）??图１．２?Ａｋａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ中的２条带天线电流带（ａ）与４条带天线电流带（ｂ）??ＫＳＴＡＲ中的ＩＣＲＨ天线是由四个共振双环型电流带在环向由隔板隔开沿环??向排列，并由单层法拉第屏蔽保护，如图１＞３所示。天线的运行频率为２５＿６０ＭＨｚ，??每个天线电流带有两个同轴线端口位于电流带两端，其结构与ＪＴ－６０Ｕ，?ＴＦＴＲ和??ＴＰＸ上的天线电流带结构相似。上下两个微波端口相连形成一个共振双环从而??组成一个电流带，再由两个悬臂与一个Ｔ型结构将他们连接［１３］。??４??

?第１章???Ｖａｃｕｕｍ?Ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ（４Ｘ２）?－＼??Ｍａｉｎ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｌｉｎｅ?—＼??Ｇｕｉｄｅ?Ｒｏｌｅｒ－??＾Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｓｔｒａｐ－４?Ｍｏｖａｂｌｅ?Ｐｌａｔｅ?—＇??＼?Ｃａｖｉｔｙ?Ｂｏｘ??Ｆａｒａｄａｙ?Ｓｈｉｅｌｄ（３３Ｘ２）??图１．?３?ＫＳＴＡＲ?ＩＣＲＨ天线系统结构??ＪＥＴ中总共有五套丨ＣＲＨ系统，分别为四套Ａ２天线如所示和一套类ＩＴＥＲ??天线（ＩＴＥＲ－Ｌｉｋｅ?Ａｎｔｅｎｎａ），均为共振双环型ＩＣＲＨ天线。两种ＩＣＲＨ天线的高??热负荷部件如图１．４所示。类ＩＴＥＲ天线项目于２００１年启动，其主要目标是为??研宄ＩＴＥＲ装置内部环境下ＩＣＲＨ天线向等离子体耦合功率性能。类丨ＴＥＲ天线??的功率密度达到８－１０?ＭＷ／ｍ２以研宄在高功率密度下ＩＣＲＨ天线的功率耦合特性。??Ａ２天线由四对极向的共振双环天线沿环向排列组成，而类ＩＴＥＲ天线由八短电??流带在环向和极向组成２Ｘ２共振双环阵列。Ａ２天线的工作频率为２３－５７?ＭＨｚ，??加热功率为６?ＭＷ。类ＩＴＥＲ天线的工作频率为３０－５５?ＭＨｚ，功率为７．２?ＭＷ。??？ＪＥＴ中常用的环向电流相位有三种，分别为（０，７ｒ，０，７ｒ），?（０，７ｒ／２，７Ｔ，－７ｒ／２）＆＆??（０，－７ｒ／２，７ｒ，７ｒ／２）［１４］－［２１］ｃ??＿■??图１．４?ＪＥＴ中的Ａ２天线（ａ）和类ＩＴＥＲ天线（ｂ）的髙热负荷部件??５??
【参考文献】

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2 张新军;赵燕平;毛玉周;袁帅;薛迪冶;汪磊;丁家义;秦成明;琚松青;程艳;王成浩;沈俊松;宋云涛;林毅君;;Current Status of ICRF Heating Experiments on EAST[J];Plasma Science and Technology;2011年02期

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本文编号：2887411