【摘要】：離子回旋共振加熱(ICRH)是世界上已有的托卡馬克裝置和未來的ITER實(shí)驗(yàn)裝置輔助加熱的主要方式之一,它不僅能有效加熱等離子體中的離子或電子,而且能進(jìn)行鋸齒控制改善等離子體約束。開展ICRH天線系統(tǒng)與等離子體的相互作用的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)將來聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和等離子體高性能運(yùn)行具有重要的研究意義。離子回旋共振加熱時(shí),天線輸入阻抗隨等離子體參數(shù)變化而變化,當(dāng)傳輸線上電流一定,且不產(chǎn)生高壓電擊穿現(xiàn)象的條件下,相對(duì)于傳輸線的特性阻抗,天線的輸入阻抗很小。天線負(fù)載的這兩個(gè)特點(diǎn)使得如何進(jìn)一步提高ICRH天線耦合到等離子體中的能量和改善天線系統(tǒng)的阻抗匹配效果成為受控核聚變理論研究的重要內(nèi)容。本文首先根據(jù)“能量一次吸收”假設(shè),采用冷等離子體的平板模型結(jié)合三維天線模型,計(jì)算方法采用Green函數(shù)方法求解真空區(qū)域的Maxwell方程和變步長(zhǎng)四階龍格庫塔方法數(shù)值積分求解等離子體的快磁聲波方程,研究了ICRH天線與等離子體的耦合。著重?cái)?shù)值模擬和討論了極向?qū)ΨQ放置的ICRH雙天線的相位差對(duì)耦合不對(duì)稱性的影響、環(huán)向?qū)ΨQ放置的ICRH雙天線的間距對(duì)等離子體耦合特性的影響、環(huán)向和極向?qū)ΨQ放置的ICRH四天線的電流分布、饋線端長(zhǎng)度和等離子體密度分布對(duì)等離子體耦合特性的影響。接著,根據(jù)ICRH天線與等離子體耦合模擬計(jì)算獲得的天線輸入阻抗結(jié)合傳輸線原理分析了離子回旋共振加熱時(shí),三支節(jié)液態(tài)調(diào)配器和邊界局域模放電條件下雙共振環(huán)天線的阻抗匹配過程。主要模擬結(jié)果表明:1)調(diào)節(jié)極向?qū)ΨQ放置的兩天線間的相位差可以控制耦合能量在極向上的不對(duì)稱性,當(dāng)相位差滿足時(shí),隨著相位差的增大,能量在極向上的耦合反對(duì)稱性增強(qiáng),當(dāng)相位差滿足時(shí),隨著相位差的增大,能量在極向上的耦合反對(duì)稱性減少,時(shí)能量在極向上的耦合反對(duì)稱性最明顯;2)當(dāng)環(huán)向?qū)ΨQ放置的雙天線同相饋電時(shí),zk適當(dāng)偏離零點(diǎn)的譜分量(對(duì)應(yīng)最佳吸收的譜分量)所占的比重隨雙天線間距的增大而減小,天線輻射功率的利用率較低,且等離子體從波中吸收的總能量減少,因此為了增強(qiáng)離子回旋共振加熱的效果,應(yīng)減小雙天線的間距;3)在其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下,環(huán)向和極向?qū)ΨQ放置的ICRH四天線輻射到真空中的功率隨天線饋線端長(zhǎng)度的增加而增加,天線對(duì)稱電流分布激發(fā)的輻射功率要比天線反對(duì)稱電流分布激發(fā)的高,刮削層密度增加導(dǎo)致ICRH四天線耦合功率增加,其可能的原因是減少了天線發(fā)射波到截止層的衰減長(zhǎng)度;4)在其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下,等離子體密度剖面變化時(shí),三支節(jié)液態(tài)調(diào)配器滿足阻抗匹配的支節(jié)液面高度的變化趨勢(shì)比波源頻率變化時(shí)要平緩,在某些頻段,為了獲得ICRH天線系統(tǒng)的阻抗匹配,三支節(jié)液態(tài)調(diào)配器調(diào)配的步驟相對(duì)復(fù)雜一些,調(diào)配的速度可能慢些;5)在其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下,波頻減小或耦合電阻增大時(shí),ICRH雙共振環(huán)天線最佳饋入點(diǎn)位置偏離電流帶中心位置也越遠(yuǎn);6)邊界局域模放電條件下,當(dāng)波源頻率在40—70MHz變化時(shí),適當(dāng)選擇最優(yōu)ICRH雙共振環(huán)天線的饋入點(diǎn)能減少天線可調(diào)電容的變化范圍,降低可調(diào)電容的工程技術(shù)要求。相關(guān)模擬結(jié)果為ICRH天線系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化選擇提供一定的參考。
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL624

【參考文獻(xiàn)】

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1 王鵬,趙燕平,毛玉周,秦成明,T Watari,R Kumazawa,T Mutoh,T Seki;EAST裝置離子回旋加熱液態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)的研究[J];核聚變與等離子體物理;2005年04期

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本文編號(hào)：2637733