【摘要】：在破裂過程中,等離子體內(nèi)能和極向磁能快速耗散在真空室內(nèi)部,產(chǎn)生熱沉積、電磁力和逃逸電流三大破裂危害。國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆(InternationalThermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未來(lái)聚變裝置的等離子體內(nèi)能和極向磁能巨大,等離子體破裂危害對(duì)裝置的安全運(yùn)行及壽命造成了嚴(yán)重的威脅,因而必須對(duì)等離子體破裂造成的危害進(jìn)行緩解。目前最有效的破裂緩解方法是雜質(zhì)注入,雜質(zhì)注入在理論上可以緩解ITER裝置等離子體破裂造成的危害,但是在實(shí)踐中仍然存在一些亟待解決的問題,比如雜質(zhì)注入引起的熱輻射分布不均勻和雜質(zhì)注入水平還達(dá)不到完全緩解逃逸電流的要求等。本文從新的角度,提出基于極向磁能轉(zhuǎn)移(Magnetic Energy Transfer,MET)的破裂緩解方法,簡(jiǎn)稱極向磁能轉(zhuǎn)移。該方法利用與等離子體耦合的磁能轉(zhuǎn)移線圈(簡(jiǎn)稱MET線圈),在破裂過程中通過電磁耦合將真空室內(nèi)部的極向磁能部分轉(zhuǎn)移到真空室外部,減小耗散在真空室內(nèi)部的極向磁能,進(jìn)而減小耗散在真空室內(nèi)部的總能量,達(dá)到破裂緩解的目的。在正常放電過程中MET線圈處于開路狀態(tài),僅在破裂過程中通過觸發(fā)連接開關(guān)快速導(dǎo)通,因此MET線圈僅在破裂過程中工作,對(duì)正常放電沒有任何影響。本文結(jié)合J-TEXT裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和參數(shù)對(duì)基于極向磁能轉(zhuǎn)移的破裂緩解方法展開研究,探索極向磁能轉(zhuǎn)移的可行性及對(duì)破裂危害的緩解效果,為ITER及未來(lái)聚變裝置提供參考。本文完成的工作主要包括:首先,研究了 J-TEXT裝置破裂過程中的極向磁能耗散規(guī)律,為研究極向磁能轉(zhuǎn)移奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合J-TEXT裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和參數(shù),分析了等離子體與極向場(chǎng)線圈、真空室的耦合關(guān)系,利用ANSYS有限元軟件計(jì)算了破裂前后極向磁能的大小和分布,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。分析得到了 J-TEXT裝置在破裂過程中有80-100%的極向磁能耗散在真空室內(nèi)部的結(jié)論。其次,研究了基于極向磁能轉(zhuǎn)移的破裂緩解方法。建立了J-TEXT極向磁能轉(zhuǎn)移分析模型,利用該模型分析了典型的極向磁能轉(zhuǎn)移過程,分析了 MET線圈參數(shù)對(duì)極向磁能轉(zhuǎn)移效率的影響,開展了 J-TEXT極向磁能轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)分析結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)MET線圈與等離子體的相對(duì)位置決定了二者的耦合系數(shù),而二者的耦合系數(shù)是影響磁能轉(zhuǎn)移效率的關(guān)鍵參數(shù)。在J-TEXT裝置采用偏置線圈做為MET線圈的情況下,磁能轉(zhuǎn)移效率最高達(dá)到25.3%,破裂過程中耗散在真空室內(nèi)部的極向磁能可以降低到65.9%。最后,研究了極向磁能轉(zhuǎn)移對(duì)逃逸電流的緩解效果。在破裂過程中隨著等離子體電流的下降,MET線圈中建立與等離子體電流同向的感應(yīng)電流,可以減小破裂過程中的環(huán)向感應(yīng)電場(chǎng),進(jìn)而緩解逃逸電流。在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到磁能轉(zhuǎn)移可以有效緩解逃逸電流。J-TEXT裝置上的極向磁能轉(zhuǎn)移研究結(jié)果顯示,該方法可以有效減小破裂過程耗散在真空室內(nèi)部的極向磁能,同時(shí)還可以有效緩解逃逸電流。極向磁能轉(zhuǎn)移與雜質(zhì)注入等現(xiàn)有破裂緩解方法的原理不同,但是二者可以協(xié)同緩解破裂危害,以獲得更好的破裂緩解效果。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL612
【圖文】：

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的不懈努力，Ｗ托卡馬克裝置為代表的磁約束核聚變研巧取得了逡逑很大的進(jìn)展，引領(lǐng)了聚變研究的潮流。托卡馬克裝置是利用磁場(chǎng)來(lái)約束和加熱等離逡逑子體的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，托卡馬克原理示意圖如圖１－１所示�？v場(chǎng)線圈產(chǎn)生與等離子體逡逑電流平行的環(huán)向磁場(chǎng)，將等離子體約束在環(huán)向真空室內(nèi)部。等離子體電流與極向場(chǎng)逡逑線圈及中也螺線管通過變壓器原理進(jìn)行z1合，通過歐姆加熱對(duì)等離子體進(jìn)行加熱。逡逑裝置在運(yùn)行過程中，再配合其它加熱及約束方式，使等離子體達(dá)到足夠高的溫度，逡逑從而發(fā)生聚變反應(yīng)■逡逑１逡逑

磁能從真空室內(nèi)部轉(zhuǎn)移到真空室外部，減小破裂過程中耗散在真空室內(nèi)部的極向磁逡逑能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破裂緩解。逡逑磁能轉(zhuǎn)移工作原理如圖１－２所示，該方法需耍增加一組與等離子體~合的ＭＥＴ逡逑線圈，并與一個(gè)連接開關(guān)和一個(gè)電阻負(fù)載相互串聯(lián)構(gòu)成磁能轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。在破裂過程逡逑中，等離子體電流巧滅會(huì)在ＭＥＴ線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)閉合連接開關(guān)使ＭＥＴ逡逑線圈導(dǎo)通時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將在ＭＥＴ線圈中建立與等離子體電流同向的感應(yīng)電流，進(jìn)逡逑而~合等離子體的極向磁能，并將岕合的磁能導(dǎo)出真空室被電阻負(fù)載消耗。連接開逡逑關(guān)僅在破裂瞬間快速閉合并導(dǎo)通ＭＥＴ線圈，在正常放電時(shí)處于斷開狀態(tài)，使ＭＥＴ逡逑線圈處于開路狀態(tài)，對(duì)正常放電沒有影響。逡逑磁能轉(zhuǎn)移通過減小破裂過程中耗散在真空室內(nèi)部的極向磁能，進(jìn)而減小冷等離逡逑子體歐姆加熱消耗的極向磁能

析Ｊ－ＴＥＸＴ破裂過程中的極向磁能耗散規(guī)律，需要結(jié)合Ｊ－ＴＥＸＴ裝置的數(shù)。因此，本節(jié)將分別介紹Ｊ－ＴＥＸＴ裝置的鐵總、極向場(chǎng)線圈和真空室。逡逑鐵巧逡逑鐵狂的托卡馬克具有歐姆加熱場(chǎng)線圈的物理設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和等離子體區(qū)域特點(diǎn)。鐵芯體積和磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和值決定了鐵芯可提的供伏秒數(shù)，體放電時(shí)間的長(zhǎng)度。鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和值一般為２Ｔ左右，為了增電時(shí)間，需要增大鐵芯的體積，進(jìn)而增大鐵抵可Ｗ提供的伏秒數(shù)。隨置規(guī)模越來(lái)越大，等離子體放電參數(shù)越來(lái)越高，放電時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，求越來(lái)越大，對(duì)鐵芯體積的要求也越來(lái)越大�，F(xiàn)代大型托卡馬克裝置要求，在工程上實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大，因此大型裝置一般都是空也的。逡逑ＥＸＴ裝置鐵芯為日字型，由中也柱和鐵扼組成。據(jù)Ｊ－ＴＥＸＴ資料記載，

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