托卡馬克中離子回旋天線的相關(guān)理論研究.pdf

1、托卡馬克磁約束裝置是目前公認(rèn)的最具有前景實(shí)現(xiàn)可控核聚變的裝置，要想實(shí)現(xiàn)可觀的聚變能，等離子體的溫度、密度和約束時(shí)間乘積需要達(dá)到足夠高的值。離子回旋射頻波(ICRF)加熱是托卡馬克中十分有效的加熱手段之一，在國內(nèi)外托卡馬克裝置上都有使用，EAST中將投入12MW的ICRF加熱系統(tǒng)。ICRF天線是ICRF系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換能量的器件，負(fù)責(zé)將射頻功率輻射到等離子體中，ICRF天線性能的好壞直接影響到ICRF加熱系統(tǒng)的效率。由于天線的性能與多種因素有關(guān)

2、，對天線進(jìn)行全面的三維電磁性能分析是十分有必要的。國內(nèi)外對天線的電磁性能進(jìn)行了大量的分析，但是不夠全面系統(tǒng)。本文利用三維電磁場軟件CST微波工作室(MWS)對EAST的現(xiàn)有的兩套ICRF天線進(jìn)行了全面的分析:模擬計(jì)算了天線的散射參數(shù)、功率譜和天線表面的電流分布;系統(tǒng)的分析了天線到等離子體的距離、等離子體的密度、法拉第屏、電流條帶的尺寸、條帶之間距離、真空傳輸線的阻抗、盒子及隔板對天線性能的影響。這些較全面的分析和模擬計(jì)算為天線設(shè)計(jì)時(shí)尺寸

3、的選擇提供理論基礎(chǔ)。在ICRF天線運(yùn)行過程中，高壓擊穿打火和引入雜質(zhì)問題是普遍存在的現(xiàn)象并且嚴(yán)重限制了天線的運(yùn)行功率。目前還未見有關(guān)對ICRF天線高壓擊穿打火問題的系統(tǒng)理論解釋的報(bào)道。
　　本文通過對天線擊穿打火過程的分析，解釋了高壓擊穿打火的原因及理論上說明了擊穿閾值為幾十MV/m的合理性。對EAST中的折疊型天線進(jìn)行了大量的模擬和綜合優(yōu)化，在電流條帶環(huán)向電流（0，π，π，0）相位時(shí)，最終優(yōu)化的天線與當(dāng)前使用的天線相比，天線結(jié)構(gòu)

4、附近的總電場和環(huán)向電場最大值分別下降了16％和30％。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)將大大降低擊穿打火的可能性。對于雜質(zhì)問題的研究表明:天線采用（0，π，π，0）相位和對側(cè)面的限制器進(jìn)行拓寬有利于減小雜質(zhì)的產(chǎn)生。另外計(jì)算表明:天線運(yùn)行在合適的波譜分布時(shí)（峰值在8m-1左右）能夠有效減小雜質(zhì)的產(chǎn)生，與實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果一致，因?yàn)楹线m的波譜分量能夠提高等離子體對波的吸收，減少波在等離子體鞘層和第一壁之間不斷的折返。利用矩量法自主編寫了一個(gè)三維電磁場代碼，此代碼是基

5、于MATLAB編寫的，具有嵌入磁約束等離子體參數(shù)的潛力，這是當(dāng)前商業(yè)軟件所欠缺的。代碼主要是通過求解電場積分方程完成對電磁場計(jì)算的。利用已經(jīng)完成的電磁場分析部分模擬了雙環(huán)型天線的回波損耗、表面電流和波譜等，并和CST MWS模擬的結(jié)果進(jìn)行了對照，結(jié)果吻合得很好，驗(yàn)證了此代碼在計(jì)算電磁場方面的可靠性。分析表明目前的ICRF天線有著進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間，我們結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外對新型ICRF天線的探索和現(xiàn)有EAST中兩套ICRF天線的特點(diǎn)，從天線