發(fā)布時(shí)間：2020-11-17 10:46

　　 為了實(shí)現(xiàn)聚變裝置中等離子體反應(yīng),離子回旋共振加熱(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)天線(xiàn)是主要輔助加熱系統(tǒng)之一。隨著聚變工程的技術(shù)發(fā)展與經(jīng)驗(yàn)積累,聚變實(shí)驗(yàn)裝置的功率不斷攀升,裝置內(nèi)的熱環(huán)境也變得越來(lái)越惡劣�；谀壳暗腅AST以及其他同類(lèi)型裝置的實(shí)驗(yàn)研究,高熱負(fù)荷以及射頻鞘效應(yīng)損傷法拉第屏蔽現(xiàn)象與ICRH加熱功率相關(guān)并且嚴(yán)重影響了 ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件的耦合特性與結(jié)構(gòu)安全性。目前EAST I窗口四電流帶ICRH天線(xiàn)尚在不具備任何主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的情況下運(yùn)行功率約為1 MW時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了局部高溫區(qū)域甚至一些結(jié)構(gòu)損傷。但EAST裝置未來(lái)將進(jìn)行長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行需要I窗口ICRH天線(xiàn)具備提供6MW長(zhǎng)脈沖射頻功率的能力,甚至在未來(lái)聚變裝置中對(duì)天線(xiàn)的功率要求更高,因此ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件將會(huì)受高熱負(fù)荷的嚴(yán)重威脅。對(duì)聚變裝置中ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件的熱特性研究能夠提升高熱負(fù)荷部件的結(jié)構(gòu)安全性并保證其耦合能力。本文從熱負(fù)荷源角度出發(fā)對(duì)聚變裝置中ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件的熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。本文首先完成了 ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件表面溫度與天線(xiàn)加熱功率之間相關(guān)性的研究�；贓AST裝置中K窗口紅外相機(jī)對(duì)ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件表面溫度的觀(guān)測(cè),確定了 ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件表面溫度與天線(xiàn)加熱功率之間成正相關(guān)。針對(duì)EAST中法拉第屏蔽棒出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷的位置與損傷程度,明確了法拉第屏蔽的易損傷區(qū)域,探究濺射過(guò)程中的雜質(zhì)產(chǎn)生情況。第二步對(duì)ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件設(shè)計(jì)中的熱特性進(jìn)行研究。提出了 ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件熱負(fù)荷來(lái)源的預(yù)測(cè)與分析方法,闡述了通過(guò)坡印廷定理對(duì)天線(xiàn)射頻熱損耗進(jìn)行計(jì)算的理論與方法。通過(guò)對(duì)ICRH天線(xiàn)散射參數(shù)的計(jì)算,選取反射系數(shù)最小的頻率作為研究熱特性的基本頻率。通過(guò)對(duì)材料表面電流傳輸截面的研究,明確了射頻熱損耗的影響因素,主要通過(guò)天線(xiàn)表面局部直角結(jié)構(gòu)的過(guò)渡、鍍層材料以及環(huán)向電流相位四種因素對(duì)射頻熱損耗進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比。對(duì)比寬電流帶天線(xiàn)與EAST原天線(xiàn)的射頻熱損耗與電磁參數(shù),為電流帶優(yōu)化與升級(jí)提供新的思路。第三步對(duì)ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件的損傷類(lèi)型與結(jié)構(gòu)安全性判定準(zhǔn)則進(jìn)行了探討與校核。系統(tǒng)性分析了 ICRH天線(xiàn)高熱負(fù)荷部件上的熱負(fù)荷分布特征,分別探究了適用于天線(xiàn)電流帶與法拉第屏蔽的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)多場(chǎng)耦合分析計(jì)算,并基于ITER SDC-IC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則利用應(yīng)力判定標(biāo)準(zhǔn)與等效應(yīng)變范圍-循環(huán)次數(shù)模型校核天線(xiàn)使用壽命。最后對(duì)未來(lái)聚變堆中更高的熱負(fù)荷下法拉第屏蔽的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)研。為了開(kāi)展對(duì)法拉第屏蔽強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱特性研究,模擬聚變裝置中法拉第屏蔽單側(cè)受熱的運(yùn)行環(huán)境,設(shè)計(jì)并搭建了一套單側(cè)可變熱負(fù)荷熱特性測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)加載不同流體入口速度與熱負(fù)荷強(qiáng)度,對(duì)法拉第屏蔽強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并與分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TL631.24
【部分圖文】：

，ＦＰＰ??ＣＦＥＴＲ?＿?：工權(quán)敗如１．５．糠態(tài)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＝｜馬克??ＨＪ?ＴＥＸＴ?Ｍｔ？？子體??２０１Ｓ?２０２０?２０２５?２０１０?２０３Ｓ?２０４０?２０４５?２０Ｓ０?２０ＳＳ?２０？０??圖１．１中國(guó)的核聚變發(fā)展技術(shù)路線(xiàn)圖??１．１．２聚變裝置??由于托卡馬克工程技術(shù)研究更加成熟并且被公認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)聚變的??裝置類(lèi)型，因此目前主流的聚變裝置均采用了托卡馬克的設(shè)計(jì)模式。托卡馬克是??一種磁約束聚變裝置，因其通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)將等離子體約束在內(nèi)部真空室內(nèi)而得名。??它的強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)自于中心螺線(xiàn)管、極向場(chǎng)線(xiàn)圈和環(huán)向場(chǎng)線(xiàn)圈。托卡馬克的英文縮寫(xiě)??取自于俄語(yǔ)中的環(huán)形、真空室、磁場(chǎng)和線(xiàn)圈四個(gè)單詞的首字母。托卡馬克裝置的??基本參數(shù)主要包括大半徑、小半徑、環(huán)向磁嘗等離子體電流以及脈沖時(shí)間長(zhǎng)度。??由于托卡馬克的放電模式為脈沖式放電，因此脈沖時(shí)間長(zhǎng)度也是裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行十??分重要的參數(shù)［３］［４］。目前世界上正在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及在建的托卡馬克裝置主要有??ＡｌｃａｔｏｒＣ－Ｍｏｄ、ＷＥＳＴ、ＫＳＴＡＲ、ＩＴＥＲ和ＥＡＳＴ等裝置，其中主要參數(shù)如表１．??１所示［５］－［８］。雖然ＥＡＳＴ在這些裝置中參數(shù)并不算高，但ＩＣＲＨ天線(xiàn)高熱負(fù)荷??部件的熱特性研宄對(duì)ＥＡＳＴ裝置以及未來(lái)聚變堆的長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行意義重大。??表１．１主流聚變裝置的主要參數(shù)｜２｜??裝置

?第１章???１０ＭＷ／ｍ２，運(yùn)行時(shí)采用偶極子相位運(yùn)行。而Ｊ窗口四電流帶ＩＣＲＨ天線(xiàn)的功率??為３?ＭＷ，天線(xiàn)電流帶正面射頻功率密度約為１１?ＭＷ／ｍ２，通過(guò)改變電流帶環(huán)向??電流相位來(lái)直接發(fā)射波譜。Ｃ－Ｍｏｄ中的三套天線(xiàn)采用了目前比較常用的設(shè)計(jì)為??共振雙環(huán)式與折疊式電流帶。其中Ｄ和Ｅ窗口天線(xiàn)電流帶具有端部饋入中間接??地的電流帶設(shè)計(jì)，Ｊ窗口天線(xiàn)電流帶的饋入點(diǎn)位于折疊部分的中部如圖１．２所示。??射頻功率均由３０?Ｑ真空傳輸線(xiàn)饋入。法拉第屏蔽棒采用直徑為０．９５?ｃｍ的鍍銅??的鉻鐵合金６２５金屬棒組成。Ｄ和Ｅ窗口法拉第屏蔽與主磁場(chǎng)方向一致，光學(xué)透??過(guò)率約為２７％。Ｊ窗口法拉第屏蔽的光學(xué)透過(guò)率約為５０。／。，并且法拉第屏蔽棒方??向與環(huán)向主磁場(chǎng)平行。其中法拉第屏蔽棒采用Ｗ形設(shè)計(jì)并且與天線(xiàn)接地結(jié)構(gòu)通??過(guò)螺栓連接。法拉第屏蔽單元的徑向長(zhǎng)度約為１０ｃｍ，電流帶之間通過(guò)隔板隔斷??［２］［１２］。??／?ｊ］＇??ＶＳ?■?■?■?））?Ｐｏｗｅｒ?ｉｎｐｕｌ??（ａ）?（ｂ）??圖１．２?Ａｋａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ中的２條帶天線(xiàn)電流帶（ａ）與４條帶天線(xiàn)電流帶（ｂ）??ＫＳＴＡＲ中的ＩＣＲＨ天線(xiàn)是由四個(gè)共振雙環(huán)型電流帶在環(huán)向由隔板隔開(kāi)沿環(huán)??向排列，并由單層法拉第屏蔽保護(hù)，如圖１＞３所示。天線(xiàn)的運(yùn)行頻率為２５＿６０ＭＨｚ，??每個(gè)天線(xiàn)電流帶有兩個(gè)同軸線(xiàn)端口位于電流帶兩端，其結(jié)構(gòu)與ＪＴ－６０Ｕ，?ＴＦＴＲ和??ＴＰＸ上的天線(xiàn)電流帶結(jié)構(gòu)相似。上下兩個(gè)微波端口相連形成一個(gè)共振雙環(huán)從而??組成一個(gè)電流帶，再由兩個(gè)懸臂與一個(gè)Ｔ型結(jié)構(gòu)將他們連接［１３］。??４??

?第１章???Ｖａｃｕｕｍ?Ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ（４Ｘ２）?－＼??Ｍａｉｎ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｌｉｎｅ?—＼??Ｇｕｉｄｅ?Ｒｏｌｅｒ－??＾Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｓｔｒａｐ－４?Ｍｏｖａｂｌｅ?Ｐｌａｔｅ?—＇??＼?Ｃａｖｉｔｙ?Ｂｏｘ??Ｆａｒａｄａｙ?Ｓｈｉｅｌｄ（３３Ｘ２）??圖１．?３?ＫＳＴＡＲ?ＩＣＲＨ天線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)??ＪＥＴ中總共有五套丨ＣＲＨ系統(tǒng)，分別為四套Ａ２天線(xiàn)如所示和一套類(lèi)ＩＴＥＲ??天線(xiàn)（ＩＴＥＲ－Ｌｉｋｅ?Ａｎｔｅｎｎａ），均為共振雙環(huán)型ＩＣＲＨ天線(xiàn)。兩種ＩＣＲＨ天線(xiàn)的高??熱負(fù)荷部件如圖１．４所示。類(lèi)ＩＴＥＲ天線(xiàn)項(xiàng)目于２００１年啟動(dòng)，其主要目標(biāo)是為??研宄ＩＴＥＲ裝置內(nèi)部環(huán)境下ＩＣＲＨ天線(xiàn)向等離子體耦合功率性能。類(lèi)丨ＴＥＲ天線(xiàn)??的功率密度達(dá)到８－１０?ＭＷ／ｍ２以研宄在高功率密度下ＩＣＲＨ天線(xiàn)的功率耦合特性。??Ａ２天線(xiàn)由四對(duì)極向的共振雙環(huán)天線(xiàn)沿環(huán)向排列組成，而類(lèi)ＩＴＥＲ天線(xiàn)由八短電??流帶在環(huán)向和極向組成２Ｘ２共振雙環(huán)陣列。Ａ２天線(xiàn)的工作頻率為２３－５７?ＭＨｚ，??加熱功率為６?ＭＷ。類(lèi)ＩＴＥＲ天線(xiàn)的工作頻率為３０－５５?ＭＨｚ，功率為７．２?ＭＷ。??？ＪＥＴ中常用的環(huán)向電流相位有三種，分別為（０，７ｒ，０，７ｒ），?（０，７ｒ／２，７Ｔ，－７ｒ／２）＆＆??（０，－７ｒ／２，７ｒ，７ｒ／２）［１４］－［２１］ｃ??＿■??圖１．４?ＪＥＴ中的Ａ２天線(xiàn)（ａ）和類(lèi)ＩＴＥＲ天線(xiàn)（ｂ）的髙熱負(fù)荷部件??５??
【參考文獻(xiàn)】

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1 楊樺;吳叢鳳;董賽;張新軍;趙燕平;尚雷;;EAST四條帶ICRF天線(xiàn)的三維電磁場(chǎng)分析[J];核聚變與等離子體物理;2015年03期

2 張新軍;趙燕平;毛玉周;袁帥;薛迪冶;汪磊;丁家義;秦成明;琚松青;程艷;王成浩;沈俊松;宋云濤;林毅君;;Current Status of ICRF Heating Experiments on EAST[J];Plasma Science and Technology;2011年02期

3 杜丹;龔學(xué)余;劉文艷;李偉軍;尹嵐;陳鈾;;托卡馬克中ICRH天線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];核聚變與等離子體物理;2011年01期

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本文編號(hào)：2887411