EAST新型ICRF加熱天線設(shè)計(jì)與研究final電子教案

1、 分類號(hào) 密級(jí) UDC 編號(hào) 中國(guó)科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位論文EAST新型ICRF加熱天線設(shè)計(jì)與研究 王成昊 指導(dǎo)教師 宋云濤 研究員 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士學(xué)位 學(xué)科專業(yè)名稱 精密儀器及機(jī)械 論文提交日期 2010年4月 論文答辯日期 2010年5月18日 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 教授 聲 明 本人呈交的學(xué)位論文EAST新型ICRF加熱天線設(shè)計(jì)與研究，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)

2、的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要 摘 要離子回旋共振加熱是托卡馬克裝置中非常有效的輔助加熱手段之一。隨著EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置的建成，及雙共振環(huán)(RDL)離子回旋加熱天線的投入使用，離子回旋共振這種經(jīng)濟(jì)有效的加熱方式為EAST裝置實(shí)驗(yàn)提供了有力的保證。為了實(shí)現(xiàn)EAST裝置1000秒以上穩(wěn)態(tài)、高參數(shù)等離子運(yùn)行的最終物理目標(biāo)以及探尋更加合理有效的離子回旋加熱方式等目的，必須研制另一套離子回旋加熱天線。本課題主要圍繞新型離子回旋加熱天線機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件的相關(guān)結(jié)構(gòu)、傳熱及電

3、磁等分析以及天線加工制造進(jìn)行論述。首先對(duì)天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行描述，并介紹了天線的基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件。根據(jù)其物理及工程要求，參考國(guó)內(nèi)外天線的成功案例并結(jié)合EAST托卡馬克裝置實(shí)際情況，完成離子回旋加熱天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其關(guān)鍵部件，電流帶，法拉第屏蔽，真空傳輸線以及真空饋口的設(shè)計(jì)。對(duì)新型離子回旋共振加熱的分析采用有限元方法，根據(jù)EAST及ICRF天線運(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況，首先分析法拉第屏蔽、電流帶在等離子破裂及在由Halo電流引起的感應(yīng)電流等作用下所產(chǎn)生的電磁力，及其應(yīng)力分布。同時(shí)，對(duì)真空饋口的電場(chǎng)分布及電壓駐波比等電物理特性以及在加熱頻率下的高頻特性進(jìn)行了分析計(jì)算。其次，結(jié)合EAST基本

4、運(yùn)行參數(shù)，對(duì)法拉第屏蔽及電流帶進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)、不同工況下的傳熱分析，獲得其溫度分布，并對(duì)在法拉第屏蔽及電流帶上所產(chǎn)生的熱應(yīng)力等進(jìn)行分析模擬，對(duì)于真空饋口在加熱頻率下的發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算，比較真空饋口在自然冷卻及主動(dòng)冷卻兩種條件下的溫度分布及應(yīng)力分布。最后綜合所有工況對(duì)法拉第屏蔽、電流帶及真空饋口等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性、安全性及可靠性。新型離子回旋加熱天線成功的進(jìn)行了加工制造以及整體裝配工作，并于2010年3月進(jìn)行了工程調(diào)試及EAST春季實(shí)驗(yàn)，為等離子體提供了1.2MW的加熱功率計(jì)諸多關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了新型離子回旋加熱天線的結(jié)構(gòu)運(yùn)行性能及計(jì)算仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：EAST超導(dǎo)托卡馬克；離子回旋

5、加熱天線；法拉第屏蔽；電流帶；真空饋口；有限元分析；EAST實(shí)驗(yàn) EAST新型ICRF加熱天線設(shè)計(jì)與研究AbstractDesign and Study of new type ICRF antenna for EAST Superconducting Tokamak DeviceChenghao Wang (Subject: Precision Instrument and Machinery)Directed by Professor Yuntao SongAbstractIon Cyclotron Range of Frequency (ICRF) heating is one of t

6、he very effective ways for auxiliary heating in EAST superconducting Tokamak. With the success of bringing the primary Resonant Double Loop (RDL) ICRF antenna into operation, the advantage of economical and effective of ICRF heating has provided strong support for the experiment of EAST. To meet the

7、 final aim of EAST: over 1000 seconds steady state and high parameter plasma operation, as well as search for more reasonable and effective way of plasma heating, it is very necessary to develop another new ICRF antenna. This thesis details the mechanical design of antenna, structural, thermal and e

8、lectromagnetic analysis of key components and manufacturing of antenna.Firstly, the thesis introduced the ICRF system and the ICRF system for EAST superconducting Tokamak. Then the thesis described the design target and criteria of new type ICRF antenna for EAST. Based on the design target and crite

9、ria, as well as the research of ICRF antennas, the structure of antenna and the key components, as faraday shield, straps, vacuum transmitter lines and vacuum feedthrough was designed to meet the aim of EAST device experiment. The analysis of new type ICRF Antenna uses the FEM method, according to t

10、he actual experimental environment of EAST and ICRF. Firstly, the distribution of eddy current in faraday and straps due to disruption of plasma was simulated. Then the electromagnetic force and stress in faraday shield and straps was calculated by software. Meanwhile, analysis of distribution of el

11、ectric field and voltage-standing-wave-ratio (VSWR) in different heating frequency has been processed. Then, according to the parameter of EAST experiment, the temperature distribution in faraday and straps was obtained by the thermal analysis of them under different working condition and with diffe

12、rent structure. With the temperature distribution, thermal stress on faraday shield and straps was simulated. Temperature and thermal stress on vacuum feedthrough was compared between air cooling and active cooling with the condition of heating frequency power loss. At last, all the boundary conditi

13、ons were applied on the analysis modeling to verify the reasonability, safety and reliability of design. With the success of new type ICRF antenna manufacturing and assembly, the new antenna has been debugged and brought into operation of EAST. Obtaining lots of experiment data, the simulation resul

14、ts have been demonstrated objectively.Key words: EAST super conducting Tokamak,；Ion Cyclotron Range Frequency Antenna； faraday shield； strap； vacuum feedthrough； FEM analysis； experiment目 錄目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc259797894 摘 要 PAGEREF _Toc259797894 h I HYPERLINK l _Toc259797895 Abstract

15、PAGEREF _Toc259797895 h III HYPERLINK l _Toc259797896 目 錄 PAGEREF _Toc259797896 h V HYPERLINK l _Toc259797897 第1章 緒論 PAGEREF _Toc259797897 h 1 HYPERLINK l _Toc259797898 1.1聚變研究歷史及前景 PAGEREF _Toc259797898 h 1 HYPERLINK l _Toc259797899 1.1.1核聚變?cè)?-3 PAGEREF _Toc259797899 h 1 HYPERLINK l _Toc259797900

16、1.1.2磁約束聚變研究的歷史與前景4-6 PAGEREF _Toc259797900 h 2 HYPERLINK l _Toc259797901 1.1.3我國(guó)磁約束核聚變研究的歷史與未來(lái)展望7-12 PAGEREF _Toc259797901 h 3 HYPERLINK l _Toc259797902 1.2離子回旋加熱原理13-17 PAGEREF _Toc259797902 h 4 HYPERLINK l _Toc259797903 1.3國(guó)內(nèi)外離子回旋共振加熱現(xiàn)狀18-19 PAGEREF _Toc259797903 h 5 HYPERLINK l _Toc259797904 1.4

17、本文主要研究的內(nèi)容、目的及意義 PAGEREF _Toc259797904 h 6 HYPERLINK l _Toc259797905 第2章 新型ICRF天線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797905 h 7 HYPERLINK l _Toc259797906 2.1引言 PAGEREF _Toc259797906 h 7 HYPERLINK l _Toc259797907 2.2EAST離子回旋加熱系統(tǒng)介紹20-25 PAGEREF _Toc259797907 h 7 HYPERLINK l _Toc259797908 2.3新型EAST離子回旋加熱天線設(shè)計(jì)參數(shù)及準(zhǔn)則

18、26-35 PAGEREF _Toc259797908 h 10 HYPERLINK l _Toc259797909 2.4新型EAST離子回旋加熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797909 h 13 HYPERLINK l _Toc259797910 2.4.1法拉第屏蔽及側(cè)部保護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797910 h 14 HYPERLINK l _Toc259797911 2.4.2電流帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797911 h 17 HYPERLINK l _Toc259797912 2.4.3天線箱體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc25

19、9797912 h 19 HYPERLINK l _Toc259797913 2.4.4真空傳輸線設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797913 h 20 HYPERLINK l _Toc259797914 2.4.5真空饋口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797914 h 23 HYPERLINK l _Toc259797915 2.4.6天線支撐及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc259797915 h 29 HYPERLINK l _Toc259797916 2.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc259797916 h 32 HYPERLINK l _Toc259797917

20、 第3章 新型ICRF天線傳熱-結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc259797917 h 34 HYPERLINK l _Toc259797918 3.1引言 PAGEREF _Toc259797918 h 34 HYPERLINK l _Toc259797919 3.2ICRF天線傳熱機(jī)制和類型49 PAGEREF _Toc259797919 h 34 HYPERLINK l _Toc259797920 3.3ICRF天線傳熱-結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc259797920 h 35 HYPERLINK l _Toc259797921 3.3.1法拉第屏蔽傳熱結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF

21、_Toc259797921 h 35 HYPERLINK l _Toc259797922 3.3.2電流帶傳熱-結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc259797922 h 37 HYPERLINK l _Toc259797923 3.3.3真空饋口傳熱-結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc259797923 h 42 HYPERLINK l _Toc259797924 3.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc259797924 h 47 HYPERLINK l _Toc259797925 第4章 新型ICRF天線電磁-結(jié)構(gòu)分析及電物理特性評(píng)定 PAGEREF _Toc259797925 h 48

22、HYPERLINK l _Toc259797926 4.1引言 PAGEREF _Toc259797926 h 48 HYPERLINK l _Toc259797927 4.2新型ICRF天線電磁分析計(jì)算 PAGEREF _Toc259797927 h 48 HYPERLINK l _Toc259797928 4.3新型ICRF天線電磁力分析計(jì)算 PAGEREF _Toc259797928 h 54 HYPERLINK l _Toc259797929 4.4真空饋口電物理特性評(píng)定 PAGEREF _Toc259797929 h 56 HYPERLINK l _Toc259797930 4.4.

23、1真空饋口電場(chǎng)分布計(jì)算 PAGEREF _Toc259797930 h 56 HYPERLINK l _Toc259797931 4.4.2真空饋口電壓駐波比計(jì)算 PAGEREF _Toc259797931 h 57 HYPERLINK l _Toc259797932 4.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc259797932 h 58 HYPERLINK l _Toc259797933 第5章 新型ICRF天線制造、裝配及實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc259797933 h 59 HYPERLINK l _Toc259797934 5.1引言 PAGEREF _Toc259797934 h

24、59 HYPERLINK l _Toc259797935 5.2新型ICRF天線制造及裝配 PAGEREF _Toc259797935 h 59 HYPERLINK l _Toc259797936 5.2.1法拉第屏蔽制造及裝配 PAGEREF _Toc259797936 h 59 HYPERLINK l _Toc259797937 5.2.2電流帶制造及裝配 PAGEREF _Toc259797937 h 61 HYPERLINK l _Toc259797938 5.2.3傳輸線及真空饋口制造及裝配 PAGEREF _Toc259797938 h 62 HYPERLINK l _Toc259

25、797939 5.2.4ICRF天線總體裝配 PAGEREF _Toc259797939 h 63 HYPERLINK l _Toc259797940 5.3新型ICRF天線實(shí)驗(yàn)情況 PAGEREF _Toc259797940 h 66 HYPERLINK l _Toc259797941 5.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc259797941 h 67 HYPERLINK l _Toc259797942 第6章 全文總結(jié) PAGEREF _Toc259797942 h 68 HYPERLINK l _Toc259797943 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc259797943 h 71

26、HYPERLINK l _Toc259797944 碩士期間發(fā)表論文、申請(qǐng)專利及獲得的獎(jiǎng)勵(lì) PAGEREF _Toc259797944 h 75 HYPERLINK l _Toc259797945 致 謝. PAGEREF _Toc259797945 h 76第1章 緒論緒論聚變研究歷史及前景核聚變?cè)?-3和平利用核聚變不僅符合人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，低碳的目標(biāo)，更是可以為人類社會(huì)的發(fā)展提供無(wú)限的能源。核聚變反應(yīng)主要有如下幾種反應(yīng)： 2D + 2D 3T + p + 4.04 MeV (1-1) 2D + 2D 3He + n +3.27 MeV (1-2) 2D + 3T 4He + n +

27、17.58 MeV (1-3) 2D + 3He 4He + p + 18.34 MeV (1-4)從上式可看出，產(chǎn)生核聚變能的主要燃料直接或間接地都為氘，將這四個(gè)反應(yīng)式相加便得到：6 2D 2 4He + 2n + 2p + 43.23 M eV (1-5)式（1-5）表明消耗6個(gè)氘原子便可釋放出43.23MeV的能量，而氘廣泛存在于海水中，含量大約是1014噸，若全部用于聚變反應(yīng)，所釋放的能量可供人類使用上百億年。同時(shí)由式（1-5）可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物是He，中子和質(zhì)子，沒(méi)有長(zhǎng)壽命高放射性產(chǎn)物，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，符合可持續(xù)發(fā)展，低碳，無(wú)限的能源條件。要想利用聚變是所釋放的能量，必須使得

28、其能量能夠按照人的需要進(jìn)行釋放，這既是所謂的“授控”技術(shù)。進(jìn)行受控核聚變反應(yīng)需要滿足兩個(gè)條件：一，需要極高的溫度，氘核與氚核的聚變反應(yīng)，溫度須在五千萬(wàn)度以上，而兩個(gè)氘核的聚變反應(yīng)，溫度須一億度；二，需要充分的約束：充分約束將高溫等離子體維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間(相對(duì)而言)，以便充分地發(fā)生聚變反應(yīng)。磁約束聚變是聚變方法的一種，它是在一定的真空容器中，采用特殊的加熱方法將氘、氚燃料加熱到聚變反應(yīng)溫區(qū)(1億度以上)，使氘原子分離成帶正電的和帶負(fù)電的粒子，從而形成了“等離子體”，利用特殊設(shè)計(jì)的磁容器，將這種高溫等離子體穩(wěn)定地約束在該真空容器內(nèi)，使聚變反應(yīng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行。原理圖如圖1.1所示，圖1.1磁約束聚變?cè)?/p>

29、理圖20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得重大的進(jìn)展，磁約束研究領(lǐng)先于其它途徑而被認(rèn)為是最富成效且最有希望的。磁約束聚變研究的歷史與前景4-6從核武器研究開(kāi)始之時(shí)，人類就希望把它的能量用于和平目的。直到20世紀(jì)60年代后，蘇聯(lián)科學(xué)家在T-3 Tokamak上利用強(qiáng)磁場(chǎng)克服等離子體的宏觀穩(wěn)定性方面取得突破性的進(jìn)展，等離子體的各項(xiàng)參數(shù)（等離子體溫度T1,Te0.8Kev、等離子體密度Ni31013/cm-3和能量約束時(shí)間E20ms）有很大的提高。從此世界上就掀起了“托卡馬克”熱。從1968年到現(xiàn)在，全世界共同建造了幾十個(gè)大大小小不同尺寸，不同要求的托卡馬克，把核聚變研究推向一個(gè)新的高度，結(jié)果異常豐富，其

30、主要成就包括（1）基本上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一直困擾磁約束聚變的宏觀穩(wěn)定性問(wèn)題；（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)時(shí)崇拜的新經(jīng)典理論預(yù)期結(jié)果基本一致。1997年10月，由歐共體建造的目前最大的托卡馬克裝置“歐洲聯(lián)合環(huán)”即JET裝置上進(jìn)行了幾次氘氚粒子密度為1:1的實(shí)驗(yàn)中，聚變輸出功率已達(dá)16MW，而聚變性能因子（即聚變輸出功率與為加熱等離子體而輸入的功率比）已達(dá)0.6以上。所有這些成就都表明了在托卡馬克裝置上實(shí)現(xiàn)基于氘氚燃料的磁約束聚變反應(yīng)的科學(xué)可行性。世界上最先建成并投入運(yùn)行的超導(dǎo)托卡馬克有：俄羅斯的T-15（1993年）、法國(guó)的TORE-SUPRA（1988年）、中國(guó)的HT-7（1994年）和日本TRIAM-1M（1

31、986年）。隨著科學(xué)的發(fā)展和研究的進(jìn)一步深入，目前又有更先進(jìn)的超導(dǎo)托卡馬克已經(jīng)建成并相繼投入運(yùn)行.如中國(guó)的HT-7U(EAST),韓國(guó)的KSTAR和日本的JT-60SU都是全超導(dǎo)托卡馬克，縱場(chǎng)和極向場(chǎng)均采用超導(dǎo)線圈，可以開(kāi)展先進(jìn)的穩(wěn)態(tài)研究。另外還有正在建造的先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克，如國(guó)際熱聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）。ITER是由美國(guó)、歐盟、印度，日本、韓國(guó)、俄羅斯和中國(guó)聯(lián)合建造的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)堆，ITER將集成當(dāng)今國(guó)際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)室，將研究解

32、決大量的技術(shù)難題，其目標(biāo)是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性，在物理上對(duì)長(zhǎng)脈沖氘氚自持燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在工程上對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探索。根據(jù)受控磁約束核聚變規(guī)劃可以看出，ITER是人類受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步, 有可能直接決定真正聚變示范電站（DEMO）的設(shè)計(jì)和建設(shè)，并進(jìn)而促進(jìn)商用聚變電站的更快實(shí)現(xiàn)。圖1.1為磁約束核聚變發(fā)展規(guī)劃圖。圖1.2 磁約束核聚變的發(fā)展規(guī)劃圖據(jù)估計(jì)，人類有望在2050年前后將使用聚變能。我國(guó)磁約束核聚變研究的歷史與未來(lái)展望7-121974年，在中國(guó)科學(xué)院物理研究所建成中國(guó)第一臺(tái)托卡馬克裝置CT6。80年代初期，中科院等離子體物理研究所和西南物理研究所分

33、別建成了托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置HT6M和HL1，在這兩個(gè)裝置上對(duì)歐姆加熱、波驅(qū)動(dòng)電流、波加熱、改善等離子體約束、實(shí)現(xiàn)低約束模（L模）向高約束模（H模）轉(zhuǎn)換等方面進(jìn)行全面、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。1994年通過(guò)國(guó)際合作和國(guó)家的大力支持，中國(guó)科學(xué)院等離子體所將原蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所的T-7裝置成功的改建成可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，使我國(guó)成為了法、日、俄之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)磁體托卡馬克裝置的國(guó)家。1995年HT-7裝置第一次放電成功，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)，2007年春季實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)脈沖運(yùn)行突破歷史紀(jì)錄，放電時(shí)間已達(dá)到400秒，為我國(guó)核聚變研究走向世界打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)。E

34、AST裝置是1998年國(guó)家正式立項(xiàng)2006年建成的具有非圓截面等離子體位形和全超導(dǎo)磁體的先進(jìn)的托卡馬克裝置，此裝置可以開(kāi)展托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及改善等離子體約束等前沿性課題的研究，探索適合的先進(jìn)聚變反應(yīng)堆的運(yùn)行模式。EAST裝置及其附屬系統(tǒng)的建成，使我國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有大型非圓截面超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家，為我國(guó)核聚變研究進(jìn)入世界前沿奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。離子回旋加熱原理13-17所有托卡馬克的等離子體最初都由環(huán)向電流提供歐姆加熱，這樣可以加熱到1Kev以上。在早期托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)中，一般由環(huán)向電流提供歐姆加熱，但是隨著等離子體溫度的提高，歐姆加熱的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。為了使等離子體達(dá)到氘氚燃燒

35、所需要的溫度，必須采取一些輔助加熱手段對(duì)其加熱。到目前為止，主要的輔助加熱有：中性粒子束注入（NBI）加熱方法和射頻電磁波（RF）共振吸收的加熱方法。這兩種方法已經(jīng)成功應(yīng)用于托卡馬克裝置以及磁鏡、仿星器等其它類型的等離子體裝置。對(duì)于射頻波加熱來(lái)說(shuō)，射頻加熱有阿爾芬波、離子回旋波、低混雜波、電子回旋波共四個(gè)頻段可供選擇。從加熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在這四個(gè)頻段的射頻加熱中，最令人鼓舞的是離子回旋共振（Ion Cyclotron Resonance Frequency-ICRF）加熱。 12,13。離子回旋共振加熱過(guò)程是由高頻發(fā)生器發(fā)射出的RF功率由發(fā)射天線發(fā)送給等離子體，在等離子體中激發(fā)起離子回旋波，

36、使等離子體在RF功率的頻率下達(dá)到共振，實(shí)現(xiàn)等離子體的回旋共振加熱。其實(shí)質(zhì)是將外部離子回旋頻率的射頻波”注入”到等離子體中,通過(guò)波與等離子體的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的加熱。整個(gè)加熱過(guò)程包括波的激發(fā)、波的傳播和模式轉(zhuǎn)換以及波的吸收和熱化，如圖1.3所示。圖1.3ICRF加熱原理示意圖在離子回旋波頻段中存在兩支波，其中一支波叫“慢波”，為左旋橢圓偏振波，與離子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，對(duì)離子起加速的作用。另一支波對(duì)應(yīng)于，故而稱為“快波”，是右旋偏振波，對(duì)離子起減速作用。因?yàn)樵谕锌R克裝置中的磁場(chǎng)是不均勻的，左旋的離子回旋波不能在等離子體中自由傳播（截止區(qū)在等離子體表面附近），而頻率接近離子回旋頻率的右旋快波雖

37、然能在等離子體中傳播，但不能對(duì)離子加熱，目前主要采用高次諧波，少數(shù)粒子基頻加熱以及快波模式轉(zhuǎn)換等幾種方式來(lái)對(duì)等離子體進(jìn)行加熱。無(wú)論是雙成分離子模式，或者高次諧波加熱模式，還是快波模式轉(zhuǎn)換加熱方式，都觀察到離子或電子的明顯加熱效果，而且在加熱過(guò)程中許多豐富的物理機(jī)制有待我們進(jìn)一步的深入研究，這正是各大裝置紛紛采用其輔助加熱的原因。國(guó)內(nèi)外離子回旋共振加熱現(xiàn)狀18-19在幾種射頻加熱技術(shù)中，離子回旋共振加熱取得了比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。托卡馬克裝置中的ICRF加熱始于70年代，由于它能加熱離子或者電子，并且其加熱系統(tǒng)的造價(jià)相對(duì)較低，因而被廣泛用于國(guó)內(nèi)外各大小型聚變裝置。1974年在ST上進(jìn)行的ICRF加熱

38、實(shí)驗(yàn)就證明離子得到加熱，后來(lái)在TFR和PLT上進(jìn)行了大功率的ICRF加熱，其中在PLT上的加熱功率最大時(shí)可達(dá)4MW。實(shí)驗(yàn)證明，外部注入的能量首先被（510）的H或者3He吸收，這些高能的少數(shù)類離子再在氘等離子體中通過(guò)碰撞，從而有效地整體加熱氘等離子體。觀測(cè)到離子加熱效率竟然可達(dá)40以上，有著非常明顯的離子整體加熱效果。自80年代以來(lái)，隨著TFTR、JET、D-D、JT-60、 TORE SUPPRA和ASDEX裝置等大裝置投入運(yùn)行，ICRF加熱實(shí)驗(yàn)與理論發(fā)展又邁進(jìn)了一大步，得到了大量的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)未來(lái)聚變堆建設(shè)都具有重要的參考價(jià)值。例如，經(jīng)過(guò)升級(jí)改造的ASDEX裝置ICRF加

39、熱天線，ICRF加熱天線耦合到等離子體中的能量最大到達(dá)7.2MW。歐洲聯(lián)合環(huán)JET和法國(guó)的TORE SUPRA長(zhǎng)脈沖ICRF加熱實(shí)驗(yàn)，分別達(dá)到了20s和3分鐘以上，注入的功率密度達(dá)到和超過(guò)了16MW/m2，無(wú)論是單獨(dú)應(yīng)用還是中性注入聯(lián)合都實(shí)現(xiàn)了從LH模的轉(zhuǎn)換。特別是在TFTR裝置上通過(guò)ICRF與中性束注入的協(xié)同，獲得了最佳的加熱效果，它在耦合射頻功率達(dá)到12MW條件下，離子溫度上升了10Kev。在C-MOD裝置上最大粒子密度達(dá)到31014cm3。這些實(shí)驗(yàn)成果為在反應(yīng)堆芯密度條件下的加熱提供了有益的參考。EAST離子回旋加熱系統(tǒng)也已搭建完成，并于2008年設(shè)計(jì)研制了一套雙共振換離子回旋加熱天線，

40、結(jié)合HT-7上的離子回旋加熱經(jīng)驗(yàn)，成功的對(duì)EAST等離子體提供了加熱實(shí)驗(yàn)。為了滿足EAST全超導(dǎo)托卡馬克第一階段的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，也為了尋求更高效合理的加熱模式，決定再設(shè)計(jì)一套新型的離子回旋加熱天線，為將來(lái)EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置高參數(shù)物理實(shí)驗(yàn)提供所需要的能量14,16。本文主要研究的內(nèi)容、目的及意義離子回旋共振加熱系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜科學(xué)工程，涉及到力學(xué)，電磁學(xué)，微波，核聚變物理、機(jī)械制造等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，它主要包括功率源、傳輸系統(tǒng)、阻抗匹配系統(tǒng)和加熱天線四大部分。它是近些年來(lái)發(fā)展最快的輔助加熱手段，不管是在物理機(jī)制還是工程技術(shù)方面都取得了很大的進(jìn)展。在我國(guó)經(jīng)過(guò)HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置的10多年運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)

41、研究，功率源、傳輸系統(tǒng)和阻抗匹配系統(tǒng)三部分經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，積累了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研制經(jīng)驗(yàn)，因而比較容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)波運(yùn)行的物理目標(biāo)。并且與2008年成功研制并運(yùn)行了一套雙共振環(huán)離子回旋加熱天線，積累了大量的工程及理論經(jīng)驗(yàn)。目前最大的困難是如何設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的離子回旋共振加熱天線來(lái)滿足穩(wěn)態(tài)連續(xù)波運(yùn)行。根據(jù)EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置的物理要求，必須發(fā)展相應(yīng)的高功率、可穩(wěn)態(tài)、連續(xù)波運(yùn)行的ICRF加熱天線。本論文對(duì)EAST新型ICRF加熱天線開(kāi)展了全面的工程分析研究。從整個(gè)工程的安全、可靠、優(yōu)質(zhì)等方面考慮，在ICRF加熱天線在設(shè)計(jì)加工之前，通過(guò)了充分地調(diào)研，了解目前國(guó)外其它先進(jìn)裝置上有關(guān)離子回旋

42、加熱天線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)運(yùn)用CATIA大型三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)整個(gè)ICRF天線建模和通過(guò)各種有限元分析軟件對(duì)ICRF加熱天線關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性仿真和其它一系列相關(guān)分析計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)的可行性及可靠性進(jìn)行了一系列的判斷。通過(guò)對(duì)EAST裝置ICRF加熱天線關(guān)鍵部件的一系列的相關(guān)分析計(jì)算和參與ICRF加熱天線的設(shè)計(jì)、加工、制造，使得我國(guó)未來(lái)對(duì)ICRF加熱天線的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)或者計(jì)更高功率的ICRF加熱天線獲得了技術(shù)儲(chǔ)備和相關(guān)分析數(shù)據(jù)，而且還為我國(guó)在ICRF加熱天線制造和裝配方面積累了豐富的理論經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)。第2章 新型ICRF天線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型ICRF天線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言許多實(shí)驗(yàn)

43、證明，離子回旋共振加熱時(shí)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置中非常有效的輔助加熱手段之一。近些年來(lái)在HT-7及EAST裝置上都取得了很大的進(jìn)展。但目前國(guó)際上各個(gè)托卡馬克裝置上的離子回旋共振加熱天線大都是脈沖式結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)波運(yùn)行，已漸漸成為制約托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)的“瓶頸”。要實(shí)現(xiàn)EAST裝置1000秒以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)模式運(yùn)行的最終目的，必須研制一種適合配套的，可穩(wěn)態(tài)連續(xù)波運(yùn)行的離子回旋共振加熱天線。離子回旋共振加熱天線包括高頻信號(hào)源、相位控制器、發(fā)射機(jī)、阻抗調(diào)配器、功率分配器及ICRF天線等部分。其中信號(hào)源及發(fā)射機(jī)等技術(shù)已經(jīng)成熟，關(guān)鍵為ICRF天線的設(shè)計(jì)是否能夠滿足其實(shí)驗(yàn)的要求。ICRF共振加熱

44、天線的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：足夠大的功率總量以及功率密度；射頻的能量損耗；法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；阻抗匹配及材料選擇等。針對(duì)以上問(wèn)題，本章主要詳細(xì)介紹了ICRF天線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及ICRF天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)也為后面章節(jié)的分析計(jì)算提供參考模型。EAST離子回旋加熱系統(tǒng)介紹20-25EAST超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)為了發(fā)展研究先進(jìn)的托卡馬克聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理問(wèn)題，以期實(shí)現(xiàn)1000秒以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的現(xiàn)金運(yùn)行模式的最終目標(biāo)而建立的先進(jìn)裝置。EAST裝置計(jì)劃輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)裝置如表2.1所示，有離子回旋共振（ICRF）加熱，低雜波（LHCD）加熱，電子回旋（ECRF）加熱和中性束（NBI

45、）加熱等方式，從提供能量大小的角度來(lái)看，離子回旋共振加熱是EAST主要的加熱方式之一。表2.1 EAST裝置上的加熱和電流驅(qū)動(dòng)裝置基本參數(shù)：加熱和電流驅(qū)動(dòng)提供的能量ICRF36MWLHCD3.5MWECRH0.5MWNBI8 MWEAST離子回旋共振加熱系統(tǒng)如圖2.1所示，主要由高頻信號(hào)源、相位控制器、發(fā)射機(jī)、阻抗匹配器、加熱天線等主要部件組成。圖2.1 離子回旋共振加熱系統(tǒng)框圖發(fā)射機(jī)是RF波能量的源頭，實(shí)驗(yàn)時(shí)為加熱天線發(fā)射一定頻率的能量。EAST離子回旋共振加熱系統(tǒng)共有四臺(tái)發(fā)射機(jī)，每臺(tái)可以提供1.5MW的能量，圖2.2為EAST離子回旋發(fā)射機(jī)組組成。圖2.2 離子回旋共振加熱系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在EA

46、ST離子回旋共振加熱系統(tǒng)中，同軸傳輸線的特征阻抗和發(fā)射機(jī)的特征阻抗都是50，而天線的輸入阻抗是隨著等離子體參數(shù)的變化而變化的。尤其在有邊界局域模（ELM）活動(dòng)的期間和L模向H模轉(zhuǎn)換期間，邊緣密度分布發(fā)生變化引起等離子體耦合阻抗也快速的變化，這些將會(huì)導(dǎo)致天線的輻射阻抗與RF傳輸線系統(tǒng)不匹配，功率將沿著傳輸線從天線反射，有可能會(huì)產(chǎn)生打火現(xiàn)象。因此必須在天線與發(fā)射機(jī)之間引入一套可調(diào)配阻抗的裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使其產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)母郊臃瓷洳ǎc天線負(fù)載上所產(chǎn)生的反射波在指定的參考面上等幅、反相來(lái)相互抵消，從而達(dá)到匹配目的。如圖2.3所示為EAST離子回旋加熱天線的匹配系統(tǒng)。 圖2.3 離子回旋共振

47、加熱系統(tǒng)阻抗匹配裝置ICRF天線是整個(gè)離子回旋共振加熱系統(tǒng)中的射頻發(fā)射裝置。目前，托卡馬克裝置上用的ICRF天線有很多種，如縫天線、諧振腔天線、折疊波導(dǎo)天線和環(huán)天線等，但應(yīng)用最廣泛的是環(huán)天線。最簡(jiǎn)單的環(huán)天線通常是一條（或者數(shù)條）金屬帶，金屬帶一端短路接地，另一端與傳輸線相連，形成高頻回路。目前國(guó)際上所使用的ICRF環(huán)天線主要有三種模型，分別為普通天線模型，極向二元陣天線和調(diào)諧極向二元陣天線模型，如圖2.5所示。圖2.4 a)普通天線 b)極向二元陣天線 c)調(diào)諧極向二元陣天線在圖2.4中，三種天線上電流帶的電壓幅值和電場(chǎng)幅值可由公式（2-1）和公式（2-2）求得。 （2-1） （2-2）是電流

48、帶短路處的電流幅值，d 是天線電流帶與法拉第屏蔽之間的距離，是運(yùn)行頻率，為電流帶的單位長(zhǎng)度電感，為電流帶的長(zhǎng)度。從公式（2-1）和（2-2）可知，對(duì)于給定的輸入功率和電流幅值，在單位長(zhǎng)度的電流帶電感相同的條件下，電流帶長(zhǎng)度越長(zhǎng)，天線電流帶的電壓幅值和電場(chǎng)強(qiáng)度幅值就越大。根據(jù)圖2.5.a，普通天線電流帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以普通天線容易導(dǎo)致天線的電弧行為產(chǎn)生嚴(yán)重的雜質(zhì)問(wèn)題。因此，為了減少電流帶上的最大電壓和電場(chǎng)（保持電流和頻率為常數(shù)），應(yīng)該減小天線電流帶的長(zhǎng)度。目前國(guó)際上的托卡馬克裝置中使用的環(huán)天線大都采用短天線模型，各大托卡馬克裝置ICRF天線如圖2.4所示，分別左上為C-MOD，右上為JET-EP，

49、左下為KSTAR，右下為T(mén)ore-supar。圖2.4 國(guó)外各大裝置ICRF天線在法國(guó)TORE SUPAR裝置上首創(chuàng)了16MW/m2的高功率密度記錄。各大裝置的ICRF天線也都取得了令人矚目的成就。新型EAST離子回旋加熱天線設(shè)計(jì)參數(shù)及準(zhǔn)則26-35EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置時(shí)一個(gè)具有非圓截面的大型超導(dǎo)托卡馬克裝置。此裝置建造目的是開(kāi)展穩(wěn)態(tài)、安全及高效運(yùn)行的先進(jìn)托卡馬克聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)EAST的最終試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)1000秒以上穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，研制適合裝置實(shí)驗(yàn)的ICRF天線是非常有必要的。一套雙共振環(huán)（Resonant Double Loop RDL）離子回旋加熱天線已經(jīng)研制成功并

50、成功投入試驗(yàn)運(yùn)行并取得了良好的成績(jī)。為了尋求更合理、高效的離子回旋加熱方式，決定研制一套新型ICRF天線。其設(shè)計(jì)參數(shù)如表2.2所示：表2.2 .EAST 新型ICRF加熱天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)：頻率可調(diào)范圍30110MHZRF輸出能量1.53MW發(fā)射機(jī)端傳輸線的特性阻抗50電流帶的特性阻抗50真空傳輸線的特性阻抗50電流帶的相速度0.63c (c 為光速)新型ICRF加熱天線的設(shè)計(jì)要求如下：天線的材料選擇需考慮托卡馬克裝置的特殊要求，對(duì)于金屬材料需具有無(wú)磁，低出氣率等特性，對(duì)于非金屬及絕緣材料需具有耐高溫，低出氣率，良好的力學(xué)性能等特性。天線的整體設(shè)計(jì)需符合新型ICRF天線物理設(shè)計(jì)要求。電流帶結(jié)構(gòu)參數(shù)

51、需根據(jù)目標(biāo)等離子體位型進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡量提高天線的功率容量。天線在EAST放電實(shí)驗(yàn)期間需能根據(jù)等離子體位型變化，對(duì)天線位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為-150mm+150mm。調(diào)節(jié)精度為1mm。對(duì)天線的設(shè)計(jì)要注意天線特征阻抗的控制，包括饋口、傳輸線及電流帶等部分的阻抗均要符合50的設(shè)計(jì)要求。保證天線的真空密封性能以及真空保持能力，對(duì)天線部件的出氣性進(jìn)行考慮。保證天線的裝配性及可維護(hù)性，盡量減少天線部件之間的焊接連接，同時(shí)還需保證天線的總漏率不得超過(guò)10-10Pa.m3/s。對(duì)于新型ICRF加熱天線設(shè)計(jì)材料的選用，需結(jié)合托卡馬克裝置的運(yùn)行環(huán)境以及ICRF加熱天線的運(yùn)行特征來(lái)進(jìn)行。托卡馬克裝置運(yùn)行環(huán)境為強(qiáng)磁場(chǎng)

52、環(huán)境，且其內(nèi)部為超高真空環(huán)境，等離子體溫度為上KeV。因此作為天線的結(jié)構(gòu)材料，必須要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：材料需為無(wú)磁材料。因裝置在運(yùn)行過(guò)程中，其磁場(chǎng)強(qiáng)度在不斷地變化，有磁及弱磁材料均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)從而有可能影響等離子體的位型控制；材料需有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。天線處于裝置內(nèi)部，在裝置運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到不同形式載荷的沖擊，因此其材料力學(xué)性能必須能夠承受來(lái)自各種形式的載荷；較好的電導(dǎo)率。因天線與真空室相連，會(huì)在等離子體放電過(guò)程中產(chǎn)生感應(yīng)電流等，因此需要有較好的電導(dǎo)率以減少這些感應(yīng)電流在天線部件上產(chǎn)生熱量，另外由于傳輸線用于射頻波傳輸，其上的損耗需盡量降低，因此其材料的電導(dǎo)率便需要盡量的減小。而相對(duì)于結(jié)構(gòu)

53、材料而言，天線的絕緣材料更為關(guān)鍵，作為絕緣介質(zhì)及絕緣支撐的材料，也需同時(shí)滿足以下幾個(gè)要求：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好。因?yàn)闊o(wú)論是介質(zhì)還是支撐，均不可避免的會(huì)受到力的作用，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證其結(jié)構(gòu)的完整性是至關(guān)重要的因素；絕緣性能好。天線中的絕緣材料均用于真空傳輸線中，而真空傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體之間的最大電壓將會(huì)達(dá)到幾十KV，因此在此種情況下，擁有良好的絕緣性能是保證天線穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素；介質(zhì)損耗小。因絕緣材料處于高頻作用下，不可避免的會(huì)在其上產(chǎn)生介質(zhì)損耗，從而發(fā)熱影響其性能。因此選擇介質(zhì)損耗角較小的絕緣材料可以有效的降低介質(zhì)損耗及提升結(jié)構(gòu)可靠性；出氣率小。天線處于超高真空環(huán)境下，絕緣介質(zhì)的出氣率大小直接影響

54、到整個(gè)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，況且如第3點(diǎn)所述材料在高頻作用下會(huì)發(fā)熱，從而提高材料的出氣率。因此對(duì)于出氣率的要求必須予以保證。綜合上述對(duì)于結(jié)構(gòu)材料及絕緣材料的要求，最終選擇下列幾種材料作為天線設(shè)計(jì)及制造的標(biāo)準(zhǔn)材料：結(jié)構(gòu)材料：主體結(jié)構(gòu)材料 316L不銹鋼絕緣材料：95%氧化鋁陶瓷饋口過(guò)渡環(huán)材料：無(wú)氧銅(TU1)316L為奧氏體不銹鋼，具有無(wú)磁，低出氣率，機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能和焊接性能出眾等特點(diǎn)。316L不銹鋼化學(xué)成分、物理特性及力學(xué)性能如表2.3、2.4所示。表2.3 316L不銹鋼材料化學(xué)成分（%）CMnSiCrNiPS316L0.032.01.0016.018.012.015.00.0350.03

55、表2.4 316L不銹鋼材料的物理特性密度g/cm3楊氏模量GPa泊松比熱膨脹系數(shù)K-1x10-6比熱容J/(kg.K)電阻率屈服強(qiáng)度（MPa）7.981860.294155001.2e629095%氧化鋁陶瓷物理性能如表2.5所示，表2.5：95陶瓷材料性能密度（g/cm3）楊氏模量（GPa）泊松比吸水率（%）介質(zhì)損耗（10-4）絕緣強(qiáng)度（kv/mm）介電常數(shù)3.62600.20.2504.015910表2.6無(wú)氧銅材料特性密度g/cm3楊氏模量GPa泊松比熱膨脹系數(shù)K-1x10-6電阻率屈服強(qiáng)度（MPa）8.941180.317220如上述表中可以計(jì)算出316L不銹鋼及無(wú)氧銅的許用應(yīng)力，在

56、ICRF加熱天線中，安全系數(shù)取1.5，則316L不銹鋼的許用應(yīng)力為290/1.5=193MPa；無(wú)氧銅的許用應(yīng)力為220/1.5=146MPa。對(duì)ICRF加熱天線結(jié)構(gòu)中的金屬材料進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核時(shí)，一般采用第三強(qiáng)度理論(最大剪應(yīng)力理論)和第四強(qiáng)度理論(剪切應(yīng)變能理論)進(jìn)行校核。第三強(qiáng)度理論采用屈雷斯卡應(yīng)力(Tresca Stress)作為相當(dāng)應(yīng)力進(jìn)行校核，其值為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差(最大剪應(yīng)力)的兩倍。第四強(qiáng)度理論則采用馮米塞斯應(yīng)力 (Von Mises Stress)作為相當(dāng)應(yīng)力進(jìn)行校核，其值的平方為三個(gè)主應(yīng)力中兩兩之差的平方和的一半34,35。新型EAST離子回旋加熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與一

57、般的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)不同，ICRF天線處于高真空、強(qiáng)磁場(chǎng)及高能粒子轟擊等工況下。其特殊的工作環(huán)境決定了其特殊的材料選擇及設(shè)計(jì)方案。新型ICRF天線主要由法拉第屏蔽及其側(cè)部保護(hù)板、電流帶、天線箱體及窗口連接法蘭、真空傳輸線、真空饋口及天線支撐驅(qū)動(dòng)等部分組成，如圖2.5所示，為天線總體示意圖及各個(gè)關(guān)鍵部件。本節(jié)將對(duì)ICRF天線各個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行詳細(xì)的闡述。圖2.5 天線總體及各關(guān)鍵部件示意圖法拉第屏蔽及側(cè)部保護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法拉第屏蔽是ICRF天線非常重要的關(guān)鍵部件，位于ICRF天線中的最前端，直接面對(duì)等離子體。法拉第屏蔽主要作用有：1.避免電流帶直接暴露在等離子體中受到高能粒子的轟擊；2.減少因受到高能粒

58、子轟擊而濺射出的雜質(zhì)；3.將不必要的場(chǎng)分量屏蔽掉，而允許激發(fā)磁聲波的場(chǎng)分量不受影響的通過(guò)；3.可以改變天線的電特性；4.抑制共軸模式的產(chǎn)生，避免邊緣加熱；5.在一定程度上降低了等離子體中射頻場(chǎng)的強(qiáng)度。除此之外，使用法拉第屏蔽還能提高ICRF的加熱效率，實(shí)驗(yàn)表明，使用法拉第屏蔽可以提高2倍的加熱效率21,39。由于直接面對(duì)等離子體，因此，在對(duì)法拉第屏蔽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其冷卻回路的設(shè)計(jì)成為主導(dǎo)因素之一。如圖2.6a)所示，法拉第屏蔽主要由法拉第屏蔽箱體及法拉第屏蔽冷卻水管兩個(gè)部分焊接裝配組成。 圖2.6 a)法拉第屏蔽設(shè)計(jì)模型 b)冷卻回路設(shè)計(jì)示意圖法拉第屏蔽面對(duì)等離子體弧面根據(jù)等離子體位型近似擬

59、合而成如圖2.7所示。圖2.7 等離子體位型圖法拉第屏蔽整體材料均采用316L不銹鋼。法拉第屏蔽箱體高度為770mm，寬度為475mm，左右板采用18mm 316L不銹鋼加工而成，上下箱體蓋板厚度為20mm，中間隔板厚度為30mm。因在實(shí)驗(yàn)中法拉第屏蔽距離等離子體距離約為10mm，因此中間隔板向后收縮20mm，來(lái)近似擬合環(huán)向等離子體形狀。法拉第屏蔽冷卻水管采用10-1不銹鋼管彎制而成，每側(cè)各有42根，兩根相鄰冷卻水管軸線距離為16mm，法拉第屏蔽總體透明度為(16-10)*41/(16*41+10)37%。新型ICRF天線法拉第屏蔽冷卻水管與原有雙共振環(huán)天線冷卻水管不同，原有法拉第屏蔽冷卻水管

60、與裝置環(huán)向成7的斜角，而新型ICRF天線法拉第屏蔽冷卻水管與裝置環(huán)向平行，以此來(lái)研究裝置總磁場(chǎng)角度對(duì)于離子回旋加熱效果的影響。法拉第屏蔽冷卻回路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一項(xiàng)，由于直接面對(duì)等離子體，法拉第屏蔽冷卻水管上的熱載荷很大。因此，必須對(duì)法拉第屏蔽冷卻結(jié)構(gòu)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诂F(xiàn)有的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性考慮，決定采用去離子水冷方式來(lái)對(duì)法拉第屏蔽進(jìn)行冷卻。因?yàn)槔鋮s水管內(nèi)徑較小為8mm，共有84根水管，因此采用并聯(lián)水路的設(shè)計(jì)方案，方案的具體實(shí)施方式如下所述：去離子水由下方的進(jìn)水口進(jìn)入，首先對(duì)法拉第屏蔽的下蓋板進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入左側(cè)總水路，左側(cè)42根冷卻水路并聯(lián)分布在左側(cè)總水路一線，去離子水通過(guò)左側(cè)水管后進(jìn)入中間隔板