J-TEXT托卡马克装置随机扰动磁场系统的建立

论文摘要

外加随机扰动磁场是研究托卡马克等离子体约束与输运的一种有效的手段。它可以打开最外层磁面,影响边界粒子和能量的输运;还可以诱发磁岛,甚至可以诱导锁模、驱动等离子体转动,从而改善约束等。国内外很多托卡马克装置都曾开展或正在开展外加扰动磁场与等离子体相互作用的相关研究,并在输运与约束方面取得了一系列的成果。ITER也计划采用扰动场线圈来试图控制电阻壁模等。J-TEXT装置是华中科技大学建造的常规中型托卡马克装置,目前正在开展放电试验。根据装置的结构特点和相关物理实验的需要,在J-TEXT上需要外加（m,n）为（3,1）、（2,1）主导模式的扰动磁场来与等离子固有的2/1模和3/1模产生共振效果,用来研究锁模和输运。为此我们需要完成一套扰动磁场的线圈系统、电源系统及其控制保护系统。本文详细计算分析了TEXT-U装置（J-TEXT装置的前身）随机扰动磁场单个扰动线圈产生的磁场分布及模式。根据二维傅里叶变换的叠加性质,J-TEXT装置在TEXT-U装置随机扰动磁场线圈的基础上增加了两个扰动线圈,新加工的线圈与原有的线圈在大环上对称分布,以便更好地产生（m,n）为（3,1）、（2,1）等各类模式的扰动磁场,最大电流7.5kA时,扰动磁场的平均值约为2*10-4BT。根据随机扰动磁场线圈的供电需求,实现了一种基于电容储能的脉冲电源系统及其控制、保护系统。电源系统采用了斩波与续流结合的方式,先通过低压单相不控整流对主电容充电,实现能量的存储;再通过斩波器及续流回路实现对负载电流波形的成形,提供所需要准梯形电流波形,最大幅值可达7.5kA,50ms平顶。主电容的最大储能可达1.7MJ,一次输出功率峰值可达2MW以上。控制与保护系统采用了软件与硬件相结合的方式。硬件系统以工控机为核心;软件系统以QNX嵌入式操作系统为开发平台。本文结合电源及其控制系统对电源系统进行了仿真。通电试验结果证实,仿真结果和试验运行结果比较一致,从而指导和保障了J-TEXT装置随机扰动磁场电源系统的安全可靠运行。本文完成了J-TEXT装置的随机扰动磁场系统,目前随机扰动磁场线圈已经安装到位,电源系统通电实验结果表明电源运行的比较好,安全可靠性非常高,可以开展相关物理实验研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 能源问题与托卡马克
• 1.2 J-TEXT 托卡马克装置简介
• 1.3 随机扰动磁场与托卡马克磁流体不稳定性
• 1.4 托卡马克外加随机扰动磁场研究现状和发展趋势
• 1.5 本文主要内容
• 2 J-TEXT 装置随机扰动磁场分析
• 2.1 TEXT-U 的SFX（Stochastic Field Experiment）的介绍
• 2.2 J-TEXT 的随机扰动磁场的产生
• 2.3 J-TEXT 的随机扰动磁场的分析
• 3 随机扰动磁场电源系统的设计
• 3.1 随机扰动磁场电源系统方案的确定
• 3.2 随机扰动磁场电源工作原理
• 3.3 随机扰动磁场电源的换流参数
• 4 随机扰动磁场的控制与保护系统的研制
• 4.1 随机扰动磁场控制系统的硬件部分
• 4.2 随机扰动磁场控制系统的软件实现
• 4.3 随机扰动磁场的保护系统
• 5 随机扰动磁场电源系统的仿真与测试
• 5.1 随机扰动磁场电源系统的仿真
• 5.2 随机扰动磁场电源系统的测试
• 6 总结与工作的进一步展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献