【摘要】：在破裂過程中,等離子體內能和極向磁能快速耗散在真空室內部,產生熱沉積、電磁力和逃逸電流三大破裂危害。國際熱核聚變試驗堆(InternationalThermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未來聚變裝置的等離子體內能和極向磁能巨大,等離子體破裂危害對裝置的安全運行及壽命造成了嚴重的威脅,因而必須對等離子體破裂造成的危害進行緩解。目前最有效的破裂緩解方法是雜質注入,雜質注入在理論上可以緩解ITER裝置等離子體破裂造成的危害,但是在實踐中仍然存在一些亟待解決的問題,比如雜質注入引起的熱輻射分布不均勻和雜質注入水平還達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移(Magnetic Energy Transfer,MET)的破裂緩解方法,簡稱極向磁能轉移。該方法利用與等離子體耦合的磁能轉移線圈(簡稱MET線圈),在破裂過程中通過電磁耦合將真空室內部的極向磁能部分轉移到真空室外部,減小耗散在真空室內部的極向磁能,進而減小耗散在真空室內部的總能量,達到破裂緩解的目的。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)連接開關快速導通,因此MET線圈僅在破裂過程中工作,對正常放電沒有任何影響。本文結合J-TEXT裝置的結構特點和參數(shù)對基于極向磁能轉移的破裂緩解方法展開研究,探索極向磁能轉移的可行性及對破裂危害的緩解效果,為ITER及未來聚變裝置提供參考。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,為研究極向磁能轉移奠定了基礎。結合J-TEXT裝置的結構特點和參數(shù),分析了等離子體與極向場線圈、真空室的耦合關系,利用ANSYS有限元軟件計算了破裂前后極向磁能的大小和分布,并通過實驗對分析結果進行了驗證。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部的結論。其次,研究了基于極向磁能轉移的破裂緩解方法。建立了J-TEXT極向磁能轉移分析模型,利用該模型分析了典型的極向磁能轉移過程,分析了 MET線圈參數(shù)對極向磁能轉移效率的影響,開展了 J-TEXT極向磁能轉移實驗,實驗驗證了相關分析結果。研究發(fā)現(xiàn)MET線圈與等離子體的相對位置決定了二者的耦合系數(shù),而二者的耦合系數(shù)是影響磁能轉移效率的關鍵參數(shù)。在J-TEXT裝置采用偏置線圈做為MET線圈的情況下,磁能轉移效率最高達到25.3%,破裂過程中耗散在真空室內部的極向磁能可以降低到65.9%。最后,研究了極向磁能轉移對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電流,可以減小破裂過程中的環(huán)向感應電場,進而緩解逃逸電流。在實驗中觀測到磁能轉移可以有效緩解逃逸電流。J-TEXT裝置上的極向磁能轉移研究結果顯示,該方法可以有效減小破裂過程耗散在真空室內部的極向磁能,同時還可以有效緩解逃逸電流。極向磁能轉移與雜質注入等現(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。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL612
【圖文】：

經過半個世紀的不懈努力，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展，引領了聚變研究的潮流。托卡馬克裝置是利用磁場來約束和加熱等離逡逑子體的聚變實驗裝置，托卡馬克原理示意圖如圖１－１所示。縱場線圈產生與等離子體逡逑電流平行的環(huán)向磁場，將等離子體約束在環(huán)向真空室內部。等離子體電流與極向場逡逑線圈及中也螺線管通過變壓器原理進行z1合，通過歐姆加熱對等離子體進行加熱。逡逑裝置在運行過程中，再配合其它加熱及約束方式，使等離子體達到足夠高的溫度，逡逑從而發(fā)生聚變反應■逡逑１逡逑

磁能從真空室內部轉移到真空室外部，減小破裂過程中耗散在真空室內部的極向磁逡逑能，進而實現(xiàn)破裂緩解。逡逑磁能轉移工作原理如圖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，并與一個連接開關和一個電阻負載相互串聯(lián)構成磁能轉移系統(tǒng)。在破裂過程逡逑中，等離子體電流巧滅會在ＭＥＴ線圈中產生感應電動勢。當閉合連接開關使ＭＥＴ逡逑線圈導通時，感應電動勢將在ＭＥＴ線圈中建立與等離子體電流同向的感應電流，進逡逑而~合等離子體的極向磁能，并將岕合的磁能導出真空室被電阻負載消耗。連接開逡逑關僅在破裂瞬間快速閉合并導通ＭＥＴ線圈，在正常放電時處于斷開狀態(tài)，使ＭＥＴ逡逑線圈處于開路狀態(tài)，對正常放電沒有影響。逡逑磁能轉移通過減小破裂過程中耗散在真空室內部的極向磁能，進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線圈的物理設計簡單和等離子體區(qū)域特點。鐵芯體積和磁感應強度的飽和值決定了鐵芯可提的供伏秒數(shù)，體放電時間的長度。鐵芯磁感應強度的飽和值一般為２Ｔ左右，為了增電時間，需要增大鐵芯的體積，進而增大鐵抵可Ｗ提供的伏秒數(shù)。隨置規(guī)模越來越大，等離子體放電參數(shù)越來越高，放電時間越來越長，求越來越大，對鐵芯體積的要求也越來越大�，F(xiàn)代大型托卡馬克裝置要求，在工程上實現(xiàn)起來難度很大，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Ｊ－ＴＥＸＴ資料記載，

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本文編號：2779527