HT-7U裝置被動反饋線圈電磁問題的分析.pdf

獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 金艘工些盍堂 或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：務f想碑 簽字日期：2即辭牟鉀z。日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解金壁王些太堂有關保留、使用學位論文的規定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權—金目B』、業盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。(保密的學位論文在解密后適用本授權書)學位論文作者簽名 判尷霹簽字日期：扣牛年手月(。日學位論文作者畢業后去向』二作單位：通訊地址：導師虢龍彩侵簽字日期：擴爭年妒月／e19電話郵編致謝本文的完成首先要感謝我的導師杜世俊教授的悉心指導，從選題到最后論文的完成都凝聚了導師的心血。導師嚴謹的治學態度，淵博的學識，高度的敬業精神和寬厚待人的處世態度讓我受益匪淺。感謝合肥工業大學電機教研室和實驗室的各位老師和同學在我做課題期間給予的支持和幫助。最后感謝所有關心和愛護我的人!作者：劉旭峰2004年3月 曰第一章 緒論1．1世界能源的緊迫性能源是社會發展的基礎。迄今為止，化石能源一直是人類最主要的一次能源。化石燃料存量有限，隨著社會的發展，能源消耗將急劇上升。過去lO∞年中，世界能源消耗量增加了十八倍。現在仍有相當多的人口處在不發達地區，而未來50年內人口將增長一倍，因此世界將西臨嚴重的能源短缺。中國人均能耗僅為世界人均能耗的二分之～。中國正以全球最高的經濟發展速度向前發展a因此，中國也將很快遇到嚴重的能源問題，即一次能源的短缺和大量使用化石燃料所帶來的極不合理的資源浪費及可怕的環境污染等嚴重問題。核裂變能是人類正在使用的一種能源，盡管它相對于化石燃料清潔，但地球上裂變燃料存量有限。不僅如此，使用裂變能的過程中，將產生大量的長壽命的放射性裂變產物，對環境造成長遠性的污染。因此，它只能是一種過渡性的和相對清潔的一次能源。相反，氘氚聚變反應釋放大量聚變能。一公升海水中的氘通過聚變反應可釋放出相當于燃燒300公升汽油的能量，反應產物氦是無放射性的，因此，以開發聚變能為目標的受控熱核聚變研究將為人類提供最理想的無限的清潔能源。1．2世界托卡馬克裝置的發展現狀世界受控熱核反應的研究工作始于1950年前后。1960年前后，隨著轉向基礎理論研究與實驗技術密切配合的方針，對等離子體的平衡與穩定性問題獲得了顯著的改進，于是該領域的研究工作于六十年代末出現了高潮，并持續至今。幾十年來，各國研究者創建了從等離子體的約束方式、加熱機制至0裝置工作原理、結構形式各不相同、各具特色的很多受控熱核反應裝置。從目前己達到的水平及潛力看，在磁約束裝置中，托卡馬克裝置比較有希望。因此，世界范圍內的磁約束聚變裝置逐漸集中到托克馬克型的環形磁約束裝置上來。世界上許多國家都相應地開展了超導托卡馬克裝置的研究。原蘇聯在利用托卡馬克裝置進行受控核聚變研究方面在世界處于領先地位。自從1968年前蘇聯的T13裝置獲得實驗成功并被廣泛承認斟來，世界上掀起了建托卡馬克裝置的熱潮，建起了許多托卡馬克裝置。其中碾蘇聯庫爾恰多夫原子能研究院的HT-7是世晃上第一個超導話卡馬克裝置，法國的Tore—Supra是世界上第一個成功運行的大型超導托卡馬克裝置。表1，2。1列出了世界上己建成或準備建造的托卡馬克裝置的主要參數和特點。圖1．2．1列出了部分已建成的托卡馬克裝置圖。目前，日本原子能研究所的研究小組已經完成商用核聚變反應堆的概念設計。在這座小型的托卡馬克型核聚變反應堆中，約束等離子體的表1．2．1 世界上已建成或準備建造的托卡馬克裝置的主要參數和特點裝置 HT-7 }n：7U TORE— T．15 TRlAM- Kstar SST_l ITERSEPRA 1M國家 中國 中國 法國 俄羅斯 日本 韓國 印度 國際合作大半 1 22 1 7 2．25 243 0．8 1 8 l 16 7 75徑(m)小半 0 3 040／0 80 0 7 0 7 0 12／0．18 0 5／1 0 0．29／0．46 2 8，4 5徑(m)縱橫 4 l 4 25 3 2 3 5 6 7 3 6 4 2．77比R．／a拉長比k 1．6～2 0 l 5 2 1．6 I．6三角形 O 4—0 8 0 8 0．44變占TF中心場 2 5 3 5～40 4．5 3 5～5 8 3 5 2．9 6強BTfT)等離子體電 0．4 1 1 7 1 4-2 3 0 5 2 022 25流IP(MA)脈沖長度td 1～5 1～1000 30～120 5 >2000 20～ ～1000 1000(se西 300中性柬 (4) (9) 6(9) 8(24) l(1．5) 50(MW)低雜波 2 3．5 6(10) 2 i 5(3) 0 5(1)(MW)離子回旋波 2 3～3．5 8 6(12) 2 50(1000)(MW)電子回旋波 0 5 0 5 4(6) 0 5(I) 0．s(11(MW)真空容器外徑6,2米，內徑1．5米，用來約束等離子體的強大磁場是使用鉍系高溫超導體材料制作的線圈所產生，面包圈狀真空容器的堆壁將采用碳化硅材料以取代炭精，與等離子體接觸的轉換器將使用鋰或氟化鋰／氟化鈹的金屬液體構成的液體堆壁，發電設備將采取氦冷卻方式的燃氣輪機技術。日本九州大學使用高頻電流產生出熱核聚變所需要的高溫等離子體電流，這一研究成果為簡化熱核聚變反應堆的設計提供了可能。近幾十年來，經過國際核聚變界的研究探索，受控核聚變的科學可行性已得到驗證，目前正在突破關鍵技術，以最終建成商用核聚變電站。1．3我國托卡馬克裝置的發展現狀我國于20世紀50年代中期開始進行核聚變研究。經過多年研究和探索，我國的核聚變磁約束裝置的研究重點現在主要集中在托卡馬克裝置上。自70年代初我國在北京中科院物理所建成第一個托卡馬克裝置CT-6以來，我國已先后在中科院等離子體物理所、核工業部西南物理研究所、中國科學技術大學等建成了HT-6B、HL-l、HT-6M等一批常規托卡馬克裝置，其中核工業西南物理研究院20世紀90年代建成的中國環流器新一號裝置已達到國際上同類型、同規模裝置的先進水平，所取得的一系列實驗成果備受世界核聚變界關注。中科院等離子體物理研究所于1994年底在前蘇聯的T-7裝置基礎上，成功地改建了我國第一臺超導托卡馬克裝置HT_7及其附屬系統，并于1995年初進行了首次放電試驗。其主要目標是探索和積累長脈沖或準穩態高溫等離子體運行的相關工程技術，為設計和建造先進托卡馬克裝置提供工程技術和物理基礎。HT-7的建成使我國成為繼法國、日本和俄羅斯之后世界上第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，為我國核聚變研究走向世界前沿打下堅實的基礎。目前，我國已經在常規托卡馬克裝置HT-7上實現了準穩態運行，實驗放電時間超過10秒。全超導托卡馬克HT-7u建成后，可實現1000秒的穩態運行。我們的最終目的是建造全天24小時穩態運行的商用核聚變反應堆。將于近年建成的中國環流器二號A是我國最大和最具代表性的核聚變實驗裝置。來自美國、德國、日本和我國核聚變界的權威專家已在成都對即將建成的中國環流器二號A實驗裝置物理目標進行了評議，確定了我國核聚變研究新的目標方向。中國環流器二號A裝置的建成使用，將使我國核聚變研究邁上一個新的臺階。同時，中科院等離子體物理研究所的世界第一座具有偏濾器的超導磁體托卡馬克裝置HT-7U正在設計研制中。這是兩個具有很好互補性的新托卡馬克裝置，預計建造成功后，將大大加快中國受控磁約束核聚變研究進程。1．4建造HT一7u托卡馬克裝置的意義由于H■7超導托卡馬克裝置圓形截面及常規導體極向場線圈的局限性，尚無法開展穩態的先進托卡馬克運行模式的研究。而按照常規托卡馬克裝置建設聚變反應堆，體積龐大、效率低，而且是脈沖運行，運行時間僅有數秒，沒有實際商用價值。因此，必須建造更加先進的全超導托卡馬克裝愛，以實現核聚變的穩態運行。為了加快中國受控磁約束核聚變研究進程，使我國的核聚變研究再上新臺階，邁入世界先進行列，必須建造能夠對世界核聚變重大前沿課題進行研究的托卡馬克裝置HT-7U。圖1．2．I 世界上部分已建成的托卡馬克裝置圖1“九五”國家重大科學工程一大型全超導托卡馬克核聚變實驗裝置HT-7U是在已建成的圓形截面托卡馬克裝置HT-7系統上的升級。HT-7U裝置工程項目的科學目標是建造一個具有非圓截面的大型超導托卡馬克裝置及其實驗系統，發展并建立在超導托卡馬克裝置上進行穩態運行所需的多種技術，開展穩態安全運行的聚變反應堆基礎物理問題的實驗研究。若能建成HT-7U裝置及其附屬系統，我國將成為世界上少數幾個擁有大型非圓截面的全超導托卡馬克裝置的國家。能使中國以有力的地位加入國際核聚變的競爭與合作，并使我國的核聚變研究在本世紀初進入世界前沿，這對我國的核聚變研究意義十分遠大。1．5 H卜7U超導托卡馬克裝置總體設計概述HT-7u實驗系統主要由以下幾個部分組成1．HT-7U超導托卡馬克裝置2．大型低溫制冷系統(液氦、液氮)3．高功率電源及回路系統4．真空抽、充氣系統5．高功率波電流驅動系統6．高功率波加熱系統7．診斷測量系統8．計算機控制及數據采集、處理系統9．水冷系統HT_7u超導托卡馬克裝置主要由以下幾個部分組成1． 極向場極向場的作用是提供等離子體的加熱與平衡。HT-TU裝置的極向場由上下對稱分布的中心螺管及三對大線圈組成，采用全超導設計方案。2．環向場環向場的作用是與等離子體的極向場合成一多重螺旋場以約束等離子體。HT-7u裝置環向場系統由16個D型線圈組成，每個線圈都包含18個雙餅共444匝，餅間、匝間絕緣厚度分別為20mm、0．5mm。為承受作用在線圈上的強大電磁力，在線圈外加了線圈盒。每個環向場的截面是由三段圓弧和一直線段組成的近似D型，以減小線圈內的彎矩。線圈直線段的高度由等離子體的三角形變(艿，)、拉長比(K，)、偏濾器結構及真空室結構等因素決定。3． 真空室及其內部構件HT一7u真空室由16個D型截面的扇形全硬段焊接而成，真空室的厚度設計為15ram。在真空室壁的結構設計中應使其環電阻達到物理設計的要求。真空室內壁與等離子體邊緣之間的距離由等離子體大小半徑、拉長比、三角形變、偏濾器結構、限制器結構、被動反饋板結構、主動控制線圈結構及其冷卻通道和支撐結構所決定。HT一7U真空室內將設置偏濾器、限制器、被動反饋板及主動控制線圈和熱屏蔽板等內部構件。偏濾器用于等離子體密度與雜質的控制及能量的移出，限制器用于保護真空室壁，被動反饋板用于等離子體位移的反饋控制，主動控制線圈用于等離子體位移的主動控制等。單位 基本參數縱場 萬高斯 3．5等離子體電流 兆安 1大半徑 米 1．7小半徑 米 0．4拉長比 1．6．2三角度 0．4．0．8位形 雙零偏濾器、單零偏濾器、抽氣孔欄離子回旋波 兆瓦 3．3，5低雜波 兆瓦 3．5電子回旋波 兆瓦 0．5脈沖長度 秒 1．10004．冷屏超導托卡馬克裝置中冷屏的主要作用是用于減少超導磁體熱負荷。為有效地減小HT_7Ui迢導環向場與極向場的熱負荷，在HT-7u環向場與真空室之間設置有內冷屏，在環向場與外真空室杜瓦之間設置有外冷屏。HT．．7U內冷屏將由16個D型扇形段組成。分為4個％段，各段之間需采用絕緣栓接結構，以改善極圖1．5，1 HT-TU裝置圖向場的穿透延時及減小冷屏上的渦流。HT-．7U冷屏的材料為不銹鋼。5． 外真空室超導托卡馬克裝置中的外真空室的主要作用是為冷質部件提供一個低對流傳熱的環境。HT-7u裝置各大部件的重量都經由外真空室傳遞到水泥基礎上，6因此外真空室應具有足夠的剛性。外真空室的結構由頂蓋、中環及基座三大部件組成。外真空室杜瓦的結構材料為不銹鋼。HT一7u裝置的主要參數如表1．5．1所示。HT一7U托卡馬克裝置圖如圖1．5．1所示。其總體裝置結構如圖1．5．2所示。1．6聚變裝置中暫態電磁問題研究概況HT-7U裝置是具有拉長D形截面等離子體位形的超導托卡馬克裝置【l】，因此存在垂直不穩定性問題。垂直不穩定性控制通常由主動控制線圈和被動反饋線圈來實現，被動反饋線圈是利用線圈自身感應渦流產生的磁場來抑制等離子體垂直不穩定性12“，因此一些聚變裝置都設置了大面積的導電板作為被動反饋線圈，jtHASDEX、KSTAR和SST-115-7】等，其結構如圖1．6．1所示。分析被動反饋線圈中感應渦流、渦流磁場以及線圈自身電氣參數屬暫態電磁問題，由于電磁關系和結構形式復雜性，聚變裝置中暫態電磁問題的求解通常是十分困難的。為簡單起見，有時采用近似的方法，如分析真空室電磁負荷問題時以近似的余弦分布來描述渦流形式以及將被動反饋線圈等效為回路的形式來確定其與其它部件的耦合作用【8．9】，這具有較大的近似性。聚變裝置暫態電磁問題最主要和基本的問題是感應渦流問題，與其相關的磁場、電磁負荷以及熱等問題是以渦流求解的結果為基礎，因此確定渦流問題的求解方法一直是聚圖1．5．2 HT-7U裝置總體結構圖變裝置暫態電磁問題中研究的重點。由于結構的復雜性及求解問題的特殊性，渦流問題的求解方法難以采用統一模式，針對不同的具體問題通常采用不同的方法，例如r～Q方法、網絡網孔法、有限元電路法等[10-14I。咀不同求解方法而完成的計算程序已用于分析聚變裝置中的暫態電磁問題【13][1 5-17]，這些計算程序在解決某些復雜電磁問題中是十分有效的。由于已有和正在建造的聚變裝置結構形式以及求解問題的側重點不同，目前聚變裝置中暫態電磁問題分析并無統一的求解方法和計算程序。對被動反饋線圈相關電磁問題目前尚未進行全面的研究，其研究工作大多涉及與等離子體垂直不穩定有關的物理問題，而關于被動反饋線圈感應渦流、渦流磁場以及線圈電氣參數等問題缺乏深入的分析。1．7本文工作的意義和主要內容由于HT一7U裝置存在垂直不穩定性問題，研究被動反饋線圈感應渦流、渦流磁場以及線圈電氣參數等問題，不僅對HT一7U裝!驀=的設計而且對裝置的運行都是十分重要的。首先被動反饋線圈是抑制具有拉長截面等離子體位形垂直不穩定性的一種方式，被動反饋線圈的合理設計將會提高裝置穩定運行的可靠性。另外等離子體垂直位移不穩定性增長率以及被動反饋線圈對垂直位移的影響與被動反饋系統的時間常數有關【l引，而且主動控制系統的設計也涉及被動反饋線圈自身參數以及與主動控制線圈的耦合參數，因此確定被動反饋線圈的電氣參數不僅對物理實驗而且對工程設計都是十分重要的。詳細地分析被動反饋線圈的電磁問題，將為線圈的工程設計、主動控制電源系統設計以及裝置運行對垂直不穩定性控制方式等提供理論依據。由于被動反饋線圈結構的特殊性，詳細的電磁問題分析通常十分復雜。目前國外裝置在分析被動反饋線圈對垂直不穩定的影響以及線圈與等離子體之間電磁耦合問題時，通常采用等效的集中線圈近似模型，因此求解對等離子體垂直位移有重要影響的由被動反饋線圈感應電流產生的磁場存在較大的誤差。本文利用數值計算方法詳細地求解被動反饋線圈感應電流分布，進而準確地給出電流在等離子體區域產生的磁場，同時根據電流變化及分布情況確定被動反饋線圈的電氣參數。…(I)被動反饋線圈感應電流分析感應電流分析包括建立求解的數學模型和確定求解的方法，給出感應電流的大小和分布。求解時，根據裝置的具體結構，采用面電流的近似來解決三維導電面上的電流求解問題。感應電流的求解是后續相關問題分析的基礎。本文利用數值計算方法，根據被動反饋線圈的實際結構推出差分法計算其感應電流的數學模型，編制計算程序，得出被動反饋線圈上的感應電流，并給出某一具體時刻的感應電流分布。(2)被動反饋線圈等效時間常數分析被動反饋線圈對等離子體垂直位移影響的程度取決于感應電流的大小和感應電流上升的速率，反映感應電流上升速率的是線圈的等效時間常數。被動反饋線圈的等效時間常數可以從感應電流的衰減過程中求得，但感應電流的衰減情況與電流分布有關，因此求解感應電流衰減過程應首先確定電流分布的初始值。