环电流器磁压缩等离子体电源控制技术研究
发布时间：2021-04-12 10:06
可控磁约束核聚变被认为是人类解决终极能源问题最理想的途径,但要达到等离子体点火以及自持燃烧还有很长的路要走。绝热磁压缩（MC）加热是提高磁约束等离子体参数的一种有效手段。文中通过对EAST环电流器（Tokamak）的等离子体放电参数的分析,研究了磁压缩对等离子体约束性能的影响以及实现磁压缩需要的线圈供电电源系统的结构。并围绕电源模块变换器相关的稳态分析、控制、仿真以及实验等方面开展工作。首先通过调取分析EAST#43888炮等离子体放电数据,验证了环电流器等离子体放电存在弱磁压缩过程,并且得出了磁压缩能够提高等离子体磁约束性能。建立了等离子体参数与磁压缩比的基本方程,给出了可能的三种压缩方式以及两步压缩的方法,并确定了环电流器磁压缩等离子体的方案以及控制策略。在电源方案上,确定了具有模块化设计的磁压缩电源系统（MCPS）方案。分别给出了传统聚变电源结构和应用SiC高压功率器件的磁压缩等离子体电源的拓扑,采用电源模块N+1冗余的IPOP结构。电源模块采用两级拓扑结构,前级三相全控整流,后级DC-DC变换器。给出了最小电流响应的电源模块两级启动方案,实现了变压器初级和次级电压的动态平衡,抑...
【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】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２０１９年全球能源生产的份额??
?第１章绪?论???中心蠔线管线圈??麵?（变压器初娜?議线圈??４?（等离子体位形控制＞??（变压器次级回路）？Ｆ｜Ｓ］）ｉｔｔ？ｉ??图１．２环电流器与磁场示意图??然而，１９６８年在前苏联库尔查托夫研宄所的Ｔ－３环电流器上发生了重大突??破。它产生了比任何其他装置更高的温度（ＨＰＣ）和更长的能量约束时间Ｔ￡，??其得到的技值超过了?Ｂｏｈｍ标定的预测值，因子不小于３０。并将这一结果在１９６８??年前苏联新西伯利亚举行的国际原子能机构（丨ＡＥＡ）聚变能源会议上宣布。这??些结果后来得到了来自卡勒姆实验室的科学家小组的验证［１｛＞１。这使得全球对于??核聚变的研究普遍转向了环电流器装置的方向。在Ｔ－３上获得的结果也激发了??建造大型环电流器装置的想法，以验证未来聚变反应堆环电流器结构的可行性。??１９７３年，设计团队开始为建造一个大型的欧洲环电流器制定计划，并于１９７５??年提出了?ＪＥＴ的设计方案［１１】。??随着对环电流器装置的研究不断深入，科学家用劳森准则给出了确定聚变??实验质量的第一个判据，对于在几千万或数亿摄氏度极限温度范围内工作的磁??约束聚变等离子体定义了聚变达到点火的必要条件。可以在“三乘积”的准则中??重新计算不等式：７１３?ｘ?ＨＦ?ｍ＿３?ｓ?ｋｅＶ，其中、７１分别表示离子密度与??温度［１２，１３］。“三乘积”的准则表明等离子体必须在足够高的离子压力Ｐ，（与??成比例）下保持足够长的时间ｔ￡。??核聚变研宄己经走过了半个多世纪，这期间取得了很多重大的进展。世界??最大的环电流器装置ＴＦＴＲ【１４］和ＪＥＴ［１５］已经产生了?１０ＭＷ以上的聚变能。在??ＪＴ－６０Ｕｔ１６
（ＤＴ）??＾?＾?？ＪＥＴ（ＤＴ）??ＴＦＴＲ＊?Ａｌｃａｔｏｒ??５＂２０?你？?ｃ－ｍ．ｏｄ?纖ｘ?咖触??立?〇??⑴?ｍＤ?〇?？Ｔｏｒｅｓｕｐ＾ＪＴ－ｆｉＯ??ｐ?ＬＨＤ〇?＊ＡＳＤＥＸ??ｒ１９?ｗ－ａｓ??〇〇?參?ＡＳＤＥＸ??＾?Ｔ１０．?０??—?０??Ｏｆ?１Ｈ?Ｗ７－Ａ??■２?丄〇?？Ｐｕｌｓａｔ〇ｆ??？?Ｔ５??１７??？?Ｔ３??１６????０?１?１０?１００??Ｔ，?（〇）?［ｋｅＶ］??图１．３世界各环电流器装置聚变三乘积与中心离子温度关系??１．２．２我国磁约束聚变的发展与展望??中国目前正处于快速发展的阶段，也尤其面临能源短缺和环境污染的问题。??在过去的３０年里，中国经济一直保持８－９％的年增长率。以２０５０年中国经济适??度发展为目标，未来３０年能源需求总量将增长两倍。同时，中国又是一个自然??资源相对贫乏的国家。中国煤炭产量占世界总量的１１％，水电产量占世界总量??的１３％，而石油和天然气产量仅占世界总量的２．５％。由此可以看到我国面临的??能源问题也尤为严重，迫使要调整能源结构，大力发展清洁能源，提高可再生??能源比重。??上世纪６０年代初，我国开始核聚变相关的研宄，从７０年代开始主要研宄??环电流器装置。在过去的四十多年里，先后建成并成功运行的环电流器实验装??置包括ＣＴ－６、ＫＴ－５、ＨＴ－６Ｂ、ＨＬ－１、ＨＴ－６Ｍ。通过这些装置的建设与运行，??培养了一大批聚变科研与技术人员，并积累了丰富的工程经验。目前我国在运??行和改造的环电流器装置有三个，分别为Ｊ－ＴＥＸＴ、ＨＬ－２Ｍ和ＥＡＳＴ装置［２２１??４
【参考文献】：
期刊论文
[1]可控核聚变科学技术前沿问题和进展[J]. 高翔,万元熙,丁宁,彭先觉. 中国工程科学. 2018(03)
[2]电力电子电路中变压器的等效模型分析[J]. 冯伟,王延安,肖登明. 上海电机学院学报. 2009(02)
[3]开关电源高频变压器电容效应建模与分析[J]. 董纪清,陈为,卢增艺. 中国电机工程学报. 2007(31)
[4]First Engineering Commissioning of EAST Tokamak[J]. 万元熙,李建刚,翁佩德. Plasma Science and Technology. 2006(03)
[5]脉冲密度调制串联谐振型塑料薄膜表面处理电源的研制[J]. 刘勇,何湘宁,张仲超. 中国电机工程学报. 2005(16)
[6]核聚变研究的发展历史[J]. 朱士尧. 物理. 1990(02)
本文编号：3133114
【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】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２０１９年全球能源生产的份额??
?第１章绪?论???中心蠔线管线圈??麵?（变压器初娜?議线圈??４?（等离子体位形控制＞??（变压器次级回路）？Ｆ｜Ｓ］）ｉｔｔ？ｉ??图１．２环电流器与磁场示意图??然而，１９６８年在前苏联库尔查托夫研宄所的Ｔ－３环电流器上发生了重大突??破。它产生了比任何其他装置更高的温度（ＨＰＣ）和更长的能量约束时间Ｔ￡，??其得到的技值超过了?Ｂｏｈｍ标定的预测值，因子不小于３０。并将这一结果在１９６８??年前苏联新西伯利亚举行的国际原子能机构（丨ＡＥＡ）聚变能源会议上宣布。这??些结果后来得到了来自卡勒姆实验室的科学家小组的验证［１｛＞１。这使得全球对于??核聚变的研究普遍转向了环电流器装置的方向。在Ｔ－３上获得的结果也激发了??建造大型环电流器装置的想法，以验证未来聚变反应堆环电流器结构的可行性。??１９７３年，设计团队开始为建造一个大型的欧洲环电流器制定计划，并于１９７５??年提出了?ＪＥＴ的设计方案［１１】。??随着对环电流器装置的研究不断深入，科学家用劳森准则给出了确定聚变??实验质量的第一个判据，对于在几千万或数亿摄氏度极限温度范围内工作的磁??约束聚变等离子体定义了聚变达到点火的必要条件。可以在“三乘积”的准则中??重新计算不等式：７１３?ｘ?ＨＦ?ｍ＿３?ｓ?ｋｅＶ，其中、７１分别表示离子密度与??温度［１２，１３］。“三乘积”的准则表明等离子体必须在足够高的离子压力Ｐ，（与??成比例）下保持足够长的时间ｔ￡。??核聚变研宄己经走过了半个多世纪，这期间取得了很多重大的进展。世界??最大的环电流器装置ＴＦＴＲ【１４］和ＪＥＴ［１５］已经产生了?１０ＭＷ以上的聚变能。在??ＪＴ－６０Ｕｔ１６
（ＤＴ）??＾?＾?？ＪＥＴ（ＤＴ）??ＴＦＴＲ＊?Ａｌｃａｔｏｒ??５＂２０?你？?ｃ－ｍ．ｏｄ?纖ｘ?咖触??立?〇??⑴?ｍＤ?〇?？Ｔｏｒｅｓｕｐ＾ＪＴ－ｆｉＯ??ｐ?ＬＨＤ〇?＊ＡＳＤＥＸ??ｒ１９?ｗ－ａｓ??〇〇?參?ＡＳＤＥＸ??＾?Ｔ１０．?０??—?０??Ｏｆ?１Ｈ?Ｗ７－Ａ??■２?丄〇?？Ｐｕｌｓａｔ〇ｆ??？?Ｔ５??１７??？?Ｔ３??１６????０?１?１０?１００??Ｔ，?（〇）?［ｋｅＶ］??图１．３世界各环电流器装置聚变三乘积与中心离子温度关系??１．２．２我国磁约束聚变的发展与展望??中国目前正处于快速发展的阶段，也尤其面临能源短缺和环境污染的问题。??在过去的３０年里，中国经济一直保持８－９％的年增长率。以２０５０年中国经济适??度发展为目标，未来３０年能源需求总量将增长两倍。同时，中国又是一个自然??资源相对贫乏的国家。中国煤炭产量占世界总量的１１％，水电产量占世界总量??的１３％，而石油和天然气产量仅占世界总量的２．５％。由此可以看到我国面临的??能源问题也尤为严重，迫使要调整能源结构，大力发展清洁能源，提高可再生??能源比重。??上世纪６０年代初，我国开始核聚变相关的研宄，从７０年代开始主要研宄??环电流器装置。在过去的四十多年里，先后建成并成功运行的环电流器实验装??置包括ＣＴ－６、ＫＴ－５、ＨＴ－６Ｂ、ＨＬ－１、ＨＴ－６Ｍ。通过这些装置的建设与运行，??培养了一大批聚变科研与技术人员，并积累了丰富的工程经验。目前我国在运??行和改造的环电流器装置有三个，分别为Ｊ－ＴＥＸＴ、ＨＬ－２Ｍ和ＥＡＳＴ装置［２２１??４
【参考文献】：
期刊论文
[1]可控核聚变科学技术前沿问题和进展[J]. 高翔,万元熙,丁宁,彭先觉. 中国工程科学. 2018(03)
[2]电力电子电路中变压器的等效模型分析[J]. 冯伟,王延安,肖登明. 上海电机学院学报. 2009(02)
[3]开关电源高频变压器电容效应建模与分析[J]. 董纪清,陈为,卢增艺. 中国电机工程学报. 2007(31)
[4]First Engineering Commissioning of EAST Tokamak[J]. 万元熙,李建刚,翁佩德. Plasma Science and Technology. 2006(03)
[5]脉冲密度调制串联谐振型塑料薄膜表面处理电源的研制[J]. 刘勇,何湘宁,张仲超. 中国电机工程学报. 2005(16)
[6]核聚变研究的发展历史[J]. 朱士尧. 物理. 1990(02)
本文编号：3133114
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