J-TEXT托卡马克共振磁扰动线圈的电磁结构分析和热分析

论文摘要

J-TEXT托卡马克装置隶属华中科技大学，自2007年得到第一等离子体放电以来，它的外围设备和诊断设备逐步完善，并围绕等离子体输运和湍流以及磁流体不稳定性开展了一系列物理实验。外加共振磁扰动线圈通过在真空室内产生旋转磁场与等离子体发生相互作用，从而影响等离子体磁流体不稳定性。理论和试验证明：施加一定强度和模式的外加螺旋扰动磁场可以进行误差场补偿、锁模、输运和边界局域模的实验。根据J-TEXT托卡马克装置自身结构特点，准备在真空室内部安装4组鞍形线圈，在环向均匀分布。每组线圈包括3个线圈，分别位于低场侧和真空室的上下窗口。线圈电源为010kA、010kHz可调频可调幅交流电源。线圈由内部铜管、中间绝缘和外部保护及固定元件组成。线圈必须避免与真空室其它设备发生位置冲突，并能承受自身载流产生的电磁力作用。在等离子体电流发生破裂时，线圈还要能够耐受瞬时感应电流带来的瞬时电磁力。由于真空室内热环境复杂，线圈会承受等离子体辐射、自身焦耳热等多种热源，连续放电带来的热积累也会损坏线圈结构，减小线圈使用寿命。本文总结了扰动场线圈在各个装置上的设计和应用情况，采用有限元分析软件ANSYS从电磁、结构、散热三个方面对线圈的设计过程进行分析，对设计结果进行验证。文中重点求解了J-TEXT磁场分布、线圈的电磁参数、应力分布、固有频率和热分布，对固定方式和散热方式进行了分析。目前，下窗口测试线圈已经安装并经过直流通电测试，发现线圈结构坚固，受热稳定，可以开展扰动场实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 J-TEXT 托卡马克和受控核聚变
• 1.2 外加共振螺旋磁场扰动的物理意义
• 1.3 各个装置上外加共振磁场扰动线圈的应用现状
• 1.4 J-TEXT 托卡马克外加共振磁扰动线圈的设计要求
• 1.5 本文主要内容
• 2 J-TEXT 托卡马克磁体系统及其磁场计算
• 2.1 J-TEXT 托卡马克磁体系统简介
• 2.2 电磁场基本理论与有限元法介绍
• 2.3 J-TEXT 纵场计算与分析
• 2.4 J-TEXT 极向场计算与分析
• 2.5 本章总结
• 3 外加共振磁扰动线圈的电磁分析和电源设计简介
• 3.1 外加共振磁扰动线圈的位置和结构
• 3.2 线圈与真空室壁的安装距离分析
• 3.3 线圈参数随频率的变化关系
• 3.4 5kA/5kHz 线圈电源设计简介
• 3.5 本章总结
• 4 外加共振磁扰动线圈的受力分析
• 4.1 电磁结构耦合分析方法简介
• 4.2 破裂时感应电流计算
• 4.3 线圈固定间距分析
• 4.4 整体线圈的应力分析
• 4.5 线圈的模态分析
• 4.6 本章总结
• 5 外加共振磁扰动线圈的受热与冷却分析
• 5.1 热分析概述
• 5.2 热分析与温度测量
• 5.3 流体基础和冷却分析
• 5.4 简化二维分析求解
• 5.5 三维分析求解
• 5.6 本章总结
• 6 全文总结与工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 不足和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文