EAST新型ICRF加热天线设计与研究final电子教案

1、 分类号 密级 UDC 编号 中国科学院研究生院硕士学位论文EAST新型ICRF加热天线设计与研究 王成昊 指导教师 宋云涛 研究员 中国科学院等离子体物理研究所 申请学位级别 硕士学位 学科专业名称 精密仪器及机械 论文提交日期 2010年4月 论文答辩日期 2010年5月18日 培养单位 中国科学院合肥物质科学研究院 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 教授 声 明 本人呈交的学位论文EAST新型ICRF加热天线设计与研究，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权

2、的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要 摘 要离子回旋共振加热是托卡马克装置中非常有效的辅助加热手段之一。随着EAST超导托卡马克装置的建成，及双共振环(RDL)离子回旋加热天线的投入使用，离子回旋共振这种经济有效的加热方式为EAST装置实验提供了有力的保证。为了实现EAST装置1000秒以上稳态、高参数等离子运行的最终物理目标以及探寻更加合理有效的离子回旋加热方式等目的，必须研制另一套离子回旋加热天线。本课题主要围绕新型离子回旋加热天线机械结构部分的设计，关键部件的相关结构、传热及电

3、磁等分析以及天线加工制造进行论述。首先对天线的设计目标及设计准则进行描述，并介绍了天线的基本结构及其关键部件。根据其物理及工程要求，参考国内外天线的成功案例并结合EAST托卡马克装置实际情况，完成离子回旋加热天线总体结构设计以及其关键部件，电流带，法拉第屏蔽，真空传输线以及真空馈口的设计。对新型离子回旋共振加热的分析采用有限元方法，根据EAST及ICRF天线运行时的实际工况，首先分析法拉第屏蔽、电流带在等离子破裂及在由Halo电流引起的感应电流等作用下所产生的电磁力，及其应力分布。同时，对真空馈口的电场分布及电压驻波比等电物理特性以及在加热频率下的高频特性进行了分析计算。其次，结合EAST基本

4、运行参数，对法拉第屏蔽及电流带进行了不同结构、不同工况下的传热分析，获得其温度分布，并对在法拉第屏蔽及电流带上所产生的热应力等进行分析模拟，对于真空馈口在加热频率下的发热量进行计算，比较真空馈口在自然冷却及主动冷却两种条件下的温度分布及应力分布。最后综合所有工况对法拉第屏蔽、电流带及真空馈口等进行结构分析，验证设计的合理性、安全性及可靠性。新型离子回旋加热天线成功的进行了加工制造以及整体装配工作，并于2010年3月进行了工程调试及EAST春季实验，为等离子体提供了1.2MW的加热功率计诸多关实验数据，验证了新型离子回旋加热天线的结构运行性能及计算仿真结果。关键词：EAST超导托卡马克；离子回旋

5、加热天线；法拉第屏蔽；电流带；真空馈口；有限元分析；EAST实验 EAST新型ICRF加热天线设计与研究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 录目 录 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 录 PAGEREF _Toc259797896 h V HYPERLINK l _Toc259797897 第1章 绪论 PAGEREF _Toc259797897 h 1 HYPERLINK l _Toc259797898 1.1聚变研究历史及前景 PAGEREF _Toc259797898 h 1 HYPERLINK l _Toc259797899 1.1.1核聚变原理1-3 PAGEREF _Toc259797899 h 1 HYPERLINK l _Toc259797900

16、1.1.2磁约束聚变研究的历史与前景4-6 PAGEREF _Toc259797900 h 2 HYPERLINK l _Toc259797901 1.1.3我国磁约束核聚变研究的历史与未来展望7-12 PAGEREF _Toc259797901 h 3 HYPERLINK l _Toc259797902 1.2离子回旋加热原理13-17 PAGEREF _Toc259797902 h 4 HYPERLINK l _Toc259797903 1.3国内外离子回旋共振加热现状18-19 PAGEREF _Toc259797903 h 5 HYPERLINK l _Toc259797904 1.4

17、本文主要研究的内容、目的及意义 PAGEREF _Toc259797904 h 6 HYPERLINK l _Toc259797905 第2章 新型ICRF天线的设计准则及结构设计 PAGEREF _Toc259797905 h 7 HYPERLINK l _Toc259797906 2.1引言 PAGEREF _Toc259797906 h 7 HYPERLINK l _Toc259797907 2.2EAST离子回旋加热系统介绍20-25 PAGEREF _Toc259797907 h 7 HYPERLINK l _Toc259797908 2.3新型EAST离子回旋加热天线设计参数及准则

18、26-35 PAGEREF _Toc259797908 h 10 HYPERLINK l _Toc259797909 2.4新型EAST离子回旋加热天线结构设计 PAGEREF _Toc259797909 h 13 HYPERLINK l _Toc259797910 2.4.1法拉第屏蔽及侧部保护板结构设计 PAGEREF _Toc259797910 h 14 HYPERLINK l _Toc259797911 2.4.2电流带结构设计 PAGEREF _Toc259797911 h 17 HYPERLINK l _Toc259797912 2.4.3天线箱体设计 PAGEREF _Toc25

19、9797912 h 19 HYPERLINK l _Toc259797913 2.4.4真空传输线设计 PAGEREF _Toc259797913 h 20 HYPERLINK l _Toc259797914 2.4.5真空馈口设计 PAGEREF _Toc259797914 h 23 HYPERLINK l _Toc259797915 2.4.6天线支撑及驱动系统设计 PAGEREF _Toc259797915 h 29 HYPERLINK l _Toc259797916 2.5本章小结 PAGEREF _Toc259797916 h 32 HYPERLINK l _Toc259797917

20、 第3章 新型ICRF天线传热-结构分析 PAGEREF _Toc259797917 h 34 HYPERLINK l _Toc259797918 3.1引言 PAGEREF _Toc259797918 h 34 HYPERLINK l _Toc259797919 3.2ICRF天线传热机制和类型49 PAGEREF _Toc259797919 h 34 HYPERLINK l _Toc259797920 3.3ICRF天线传热-结构分析 PAGEREF _Toc259797920 h 35 HYPERLINK l _Toc259797921 3.3.1法拉第屏蔽传热结构分析 PAGEREF

21、_Toc259797921 h 35 HYPERLINK l _Toc259797922 3.3.2电流带传热-结构分析 PAGEREF _Toc259797922 h 37 HYPERLINK l _Toc259797923 3.3.3真空馈口传热-结构分析 PAGEREF _Toc259797923 h 42 HYPERLINK l _Toc259797924 3.4本章小结 PAGEREF _Toc259797924 h 47 HYPERLINK l _Toc259797925 第4章 新型ICRF天线电磁-结构分析及电物理特性评定 PAGEREF _Toc259797925 h 48

22、HYPERLINK l _Toc259797926 4.1引言 PAGEREF _Toc259797926 h 48 HYPERLINK l _Toc259797927 4.2新型ICRF天线电磁分析计算 PAGEREF _Toc259797927 h 48 HYPERLINK l _Toc259797928 4.3新型ICRF天线电磁力分析计算 PAGEREF _Toc259797928 h 54 HYPERLINK l _Toc259797929 4.4真空馈口电物理特性评定 PAGEREF _Toc259797929 h 56 HYPERLINK l _Toc259797930 4.4.

23、1真空馈口电场分布计算 PAGEREF _Toc259797930 h 56 HYPERLINK l _Toc259797931 4.4.2真空馈口电压驻波比计算 PAGEREF _Toc259797931 h 57 HYPERLINK l _Toc259797932 4.5本章小结 PAGEREF _Toc259797932 h 58 HYPERLINK l _Toc259797933 第5章 新型ICRF天线制造、装配及实验 PAGEREF _Toc259797933 h 59 HYPERLINK l _Toc259797934 5.1引言 PAGEREF _Toc259797934 h

24、59 HYPERLINK l _Toc259797935 5.2新型ICRF天线制造及装配 PAGEREF _Toc259797935 h 59 HYPERLINK l _Toc259797936 5.2.1法拉第屏蔽制造及装配 PAGEREF _Toc259797936 h 59 HYPERLINK l _Toc259797937 5.2.2电流带制造及装配 PAGEREF _Toc259797937 h 61 HYPERLINK l _Toc259797938 5.2.3传输线及真空馈口制造及装配 PAGEREF _Toc259797938 h 62 HYPERLINK l _Toc259

25、797939 5.2.4ICRF天线总体装配 PAGEREF _Toc259797939 h 63 HYPERLINK l _Toc259797940 5.3新型ICRF天线实验情况 PAGEREF _Toc259797940 h 66 HYPERLINK l _Toc259797941 5.4本章小结 PAGEREF _Toc259797941 h 67 HYPERLINK l _Toc259797942 第6章 全文总结 PAGEREF _Toc259797942 h 68 HYPERLINK l _Toc259797943 参考文献 PAGEREF _Toc259797943 h 71

26、HYPERLINK l _Toc259797944 硕士期间发表论文、申请专利及获得的奖励 PAGEREF _Toc259797944 h 75 HYPERLINK l _Toc259797945 致 谢. PAGEREF _Toc259797945 h 76第1章 绪论绪论聚变研究历史及前景核聚变原理1-3和平利用核聚变不仅符合人类社会可持续发展，低碳的目标，更是可以为人类社会的发展提供无限的能源。核聚变反应主要有如下几种反应： 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)从上式可看出，产生核聚变能的主要燃料直接或间接地都为氘，将这四个反应式相加便得到：6 2D 2 4He + 2n + 2p + 43.23 M eV (1-5)式（1-5）表明消耗6个氘原子便可释放出43.23MeV的能量，而氘广泛存在于海水中，含量大约是1014吨，若全部用于聚变反应，所释放的能量可供人类使用上百亿年。同时由式（1-5）可以看出，反应产物是He，中子和质子，没有长寿命高放射性产物，不会对环境造成严重污染，符合可持续发展，低碳，无限的能源条件。要想利用聚变是所释放的能量，必须使得

28、其能量能够按照人的需要进行释放，这既是所谓的“授控”技术。进行受控核聚变反应需要满足两个条件：一，需要极高的温度，氘核与氚核的聚变反应，温度须在五千万度以上，而两个氘核的聚变反应，温度须一亿度；二，需要充分的约束：充分约束将高温等离子体维持足够长的时间(相对而言)，以便充分地发生聚变反应。磁约束聚变是聚变方法的一种，它是在一定的真空容器中，采用特殊的加热方法将氘、氚燃料加热到聚变反应温区(1亿度以上)，使氘原子分离成带正电的和带负电的粒子，从而形成了“等离子体”，利用特殊设计的磁容器，将这种高温等离子体稳定地约束在该真空容器内，使聚变反应能够稳定进行。原理图如图1.1所示，图1.1磁约束聚变原

29、理图20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大的进展，磁约束研究领先于其它途径而被认为是最富成效且最有希望的。磁约束聚变研究的历史与前景4-6从核武器研究开始之时，人类就希望把它的能量用于和平目的。直到20世纪60年代后，苏联科学家在T-3 Tokamak上利用强磁场克服等离子体的宏观稳定性方面取得突破性的进展，等离子体的各项参数（等离子体温度T1,Te0.8Kev、等离子体密度Ni31013/cm-3和能量约束时间E20ms）有很大的提高。从此世界上就掀起了“托卡马克”热。从1968年到现在，全世界共同建造了几十个大大小小不同尺寸，不同要求的托卡马克，把核聚变研究推向一个新的高度，结果异常丰富，其

30、主要成就包括（1）基本上没有发现一直困扰磁约束聚变的宏观稳定性问题；（2）实验数据和当时崇拜的新经典理论预期结果基本一致。1997年10月，由欧共体建造的目前最大的托卡马克装置“欧洲联合环”即JET装置上进行了几次氘氚粒子密度为1:1的实验中，聚变输出功率已达16MW，而聚变性能因子（即聚变输出功率与为加热等离子体而输入的功率比）已达0.6以上。所有这些成就都表明了在托卡马克装置上实现基于氘氚燃料的磁约束聚变反应的科学可行性。世界上最先建成并投入运行的超导托卡马克有：俄罗斯的T-15（1993年）、法国的TORE-SUPRA（1988年）、中国的HT-7（1994年）和日本TRIAM-1M（1

31、986年）。随着科学的发展和研究的进一步深入，目前又有更先进的超导托卡马克已经建成并相继投入运行.如中国的HT-7U(EAST),韩国的KSTAR和日本的JT-60SU都是全超导托卡马克，纵场和极向场均采用超导线圈，可以开展先进的稳态研究。另外还有正在建造的先进超导托卡马克，如国际热聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）。ITER是由美国、欧盟、印度，日本、韩国、俄罗斯和中国联合建造的磁约束聚变实验堆，ITER将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验室，将研究解

32、决大量的技术难题，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性，在物理上对长脉冲氘氚自持燃烧进行实验研究，在工程上对实验反应堆相关技术进行探索。根据受控磁约束核聚变规划可以看出，ITER是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步, 有可能直接决定真正聚变示范电站（DEMO）的设计和建设，并进而促进商用聚变电站的更快实现。图1.1为磁约束核聚变发展规划图。图1.2 磁约束核聚变的发展规划图据估计，人类有望在2050年前后将使用聚变能。我国磁约束核聚变研究的历史与未来展望7-121974年，在中国科学院物理研究所建成中国第一台托卡马克装置CT6。80年代初期，中科院等离子体物理研究所和西南物理研究所分

33、别建成了托卡马克聚变实验装置HT6M和HL1，在这两个装置上对欧姆加热、波驱动电流、波加热、改善等离子体约束、实现低约束模（L模）向高约束模（H模）转换等方面进行全面、系统的实验研究。1994年通过国际合作和国家的大力支持，中国科学院等离子体所将原苏联库尔恰托夫研究所的T-7装置成功的改建成可以进行实验研究的超导托卡马克装置HT-7，使我国成为了法、日、俄之后第四个拥有超导磁体托卡马克装置的国家。1995年HT-7装置第一次放电成功，经过多年的运行和实验，2007年春季实验中长脉冲运行突破历史纪录，放电时间已达到400秒，为我国核聚变研究走向世界打下了坚实的基础，同时也积累了大量宝贵的经验。E

34、AST装置是1998年国家正式立项2006年建成的具有非圆截面等离子体位形和全超导磁体的先进的托卡马克装置，此装置可以开展托卡马克稳态运行及改善等离子体约束等前沿性课题的研究，探索适合的先进聚变反应堆的运行模式。EAST装置及其附属系统的建成，使我国成为世界上少数几个拥有大型非圆截面超导托卡马克装置的国家，为我国核聚变研究进入世界前沿奠定了坚实的技术基础。离子回旋加热原理13-17所有托卡马克的等离子体最初都由环向电流提供欧姆加热，这样可以加热到1Kev以上。在早期托卡马克装置实验中，一般由环向电流提供欧姆加热，但是随着等离子体温度的提高，欧姆加热的贡献几乎可以忽略。为了使等离子体达到氘氚燃烧

35、所需要的温度，必须采取一些辅助加热手段对其加热。到目前为止，主要的辅助加热有：中性粒子束注入（NBI）加热方法和射频电磁波（RF）共振吸收的加热方法。这两种方法已经成功应用于托卡马克装置以及磁镜、仿星器等其它类型的等离子体装置。对于射频波加热来说，射频加热有阿尔芬波、离子回旋波、低混杂波、电子回旋波共四个频段可供选择。从加热的实验结果来看，在这四个频段的射频加热中，最令人鼓舞的是离子回旋共振（Ion Cyclotron Resonance Frequency-ICRF）加热。 12,13。离子回旋共振加热过程是由高频发生器发射出的RF功率由发射天线发送给等离子体，在等离子体中激发起离子回旋波，

36、使等离子体在RF功率的频率下达到共振，实现等离子体的回旋共振加热。其实质是将外部离子回旋频率的射频波”注入”到等离子体中,通过波与等离子体的相互作用来实现对等离子体的加热。整个加热过程包括波的激发、波的传播和模式转换以及波的吸收和热化，如图1.3所示。图1.3ICRF加热原理示意图在离子回旋波频段中存在两支波，其中一支波叫“慢波”，为左旋椭圆偏振波，与离子转动方向一致，对离子起加速的作用。另一支波对应于，故而称为“快波”，是右旋偏振波，对离子起减速作用。因为在托卡马克装置中的磁场是不均匀的，左旋的离子回旋波不能在等离子体中自由传播（截止区在等离子体表面附近），而频率接近离子回旋频率的右旋快波虽

37、然能在等离子体中传播，但不能对离子加热，目前主要采用高次谐波，少数粒子基频加热以及快波模式转换等几种方式来对等离子体进行加热。无论是双成分离子模式，或者高次谐波加热模式，还是快波模式转换加热方式，都观察到离子或电子的明显加热效果，而且在加热过程中许多丰富的物理机制有待我们进一步的深入研究，这正是各大装置纷纷采用其辅助加热的原因。国内外离子回旋共振加热现状18-19在几种射频加热技术中，离子回旋共振加热取得了比较好的实验结果。托卡马克装置中的ICRF加热始于70年代，由于它能加热离子或者电子，并且其加热系统的造价相对较低，因而被广泛用于国内外各大小型聚变装置。1974年在ST上进行的ICRF加热

38、实验就证明离子得到加热，后来在TFR和PLT上进行了大功率的ICRF加热，其中在PLT上的加热功率最大时可达4MW。实验证明，外部注入的能量首先被（510）的H或者3He吸收，这些高能的少数类离子再在氘等离子体中通过碰撞，从而有效地整体加热氘等离子体。观测到离子加热效率竟然可达40以上，有着非常明显的离子整体加热效果。自80年代以来，随着TFTR、JET、D-D、JT-60、 TORE SUPPRA和ASDEX装置等大装置投入运行，ICRF加热实验与理论发展又迈进了一大步，得到了大量的新实验结果，其中一些实验结果对未来聚变堆建设都具有重要的参考价值。例如，经过升级改造的ASDEX装置ICRF加

39、热天线，ICRF加热天线耦合到等离子体中的能量最大到达7.2MW。欧洲联合环JET和法国的TORE SUPRA长脉冲ICRF加热实验，分别达到了20s和3分钟以上，注入的功率密度达到和超过了16MW/m2，无论是单独应用还是中性注入联合都实现了从LH模的转换。特别是在TFTR装置上通过ICRF与中性束注入的协同，获得了最佳的加热效果，它在耦合射频功率达到12MW条件下，离子温度上升了10Kev。在C-MOD装置上最大粒子密度达到31014cm3。这些实验成果为在反应堆芯密度条件下的加热提供了有益的参考。EAST离子回旋加热系统也已搭建完成，并于2008年设计研制了一套双共振换离子回旋加热天线，

40、结合HT-7上的离子回旋加热经验，成功的对EAST等离子体提供了加热实验。为了满足EAST全超导托卡马克第一阶段的实验目标，也为了寻求更高效合理的加热模式，决定再设计一套新型的离子回旋加热天线，为将来EAST超导托卡马克装置高参数物理实验提供所需要的能量14,16。本文主要研究的内容、目的及意义离子回旋共振加热系统是一个复杂科学工程，涉及到力学，电磁学，微波，核聚变物理、机械制造等多个基础学科，它主要包括功率源、传输系统、阻抗匹配系统和加热天线四大部分。它是近些年来发展最快的辅助加热手段，不管是在物理机制还是工程技术方面都取得了很大的进展。在我国经过HT-7超导托卡马克装置的10多年运行和实验

41、研究，功率源、传输系统和阻抗匹配系统三部分经过不断的改进和完善，积累了大量相关的实验和研制经验，因而比较容易实现大功率连续波运行的物理目标。并且与2008年成功研制并运行了一套双共振环离子回旋加热天线，积累了大量的工程及理论经验。目前最大的困难是如何设计出性能优良的离子回旋共振加热天线来满足稳态连续波运行。根据EAST超导托卡马克装置的物理要求，必须发展相应的高功率、可稳态、连续波运行的ICRF加热天线。本论文对EAST新型ICRF加热天线开展了全面的工程分析研究。从整个工程的安全、可靠、优质等方面考虑，在ICRF加热天线在设计加工之前，通过了充分地调研，了解目前国外其它先进装置上有关离子回旋

42、加热天线的设计经验；在设计时，通过运用CATIA大型三维设计软件对整个ICRF天线建模和通过各种有限元分析软件对ICRF加热天线关键部件进行结构性仿真和其它一系列相关分析计算，对设计的可行性及可靠性进行了一系列的判断。通过对EAST装置ICRF加热天线关键部件的一系列的相关分析计算和参与ICRF加热天线的设计、加工、制造，使得我国未来对ICRF加热天线的进一步优化改进或者计更高功率的ICRF加热天线获得了技术储备和相关分析数据，而且还为我国在ICRF加热天线制造和装配方面积累了丰富的理论经验和工程经验。第2章 新型ICRF天线的设计准则及结构设计新型ICRF天线的设计准则及结构设计引言许多实验

43、证明，离子回旋共振加热时托卡马克实验装置中非常有效的辅助加热手段之一。近些年来在HT-7及EAST装置上都取得了很大的进展。但目前国际上各个托卡马克装置上的离子回旋共振加热天线大都是脉冲式结构，不能实现长时间连续波运行，已渐渐成为制约托卡马克装置实验的“瓶颈”。要实现EAST装置1000秒以上稳态、安全、高效的先进模式运行的最终目的，必须研制一种适合配套的，可稳态连续波运行的离子回旋共振加热天线。离子回旋共振加热天线包括高频信号源、相位控制器、发射机、阻抗调配器、功率分配器及ICRF天线等部分。其中信号源及发射机等技术已经成熟，关键为ICRF天线的设计是否能够满足其实验的要求。ICRF共振加热

44、天线的设计主要考虑以下几个方面的问题：足够大的功率总量以及功率密度；射频的能量损耗；法拉第屏蔽结构设计；阻抗匹配及材料选择等。针对以上问题，本章主要详细介绍了ICRF天线的设计准则以及ICRF天线的结构设计过程，同时也为后面章节的分析计算提供参考模型。EAST离子回旋加热系统介绍20-25EAST超导托卡马克实验装置时为了发展研究先进的托卡马克聚变反应堆基础物理问题，以期实现1000秒以上稳态、安全、高效的现金运行模式的最终目标而建立的先进装置。EAST装置计划辅助加热和电流驱动装置如表2.1所示，有离子回旋共振（ICRF）加热，低杂波（LHCD）加热，电子回旋（ECRF）加热和中性束（NBI

45、）加热等方式，从提供能量大小的角度来看，离子回旋共振加热是EAST主要的加热方式之一。表2.1 EAST装置上的加热和电流驱动装置基本参数：加热和电流驱动提供的能量ICRF36MWLHCD3.5MWECRH0.5MWNBI8 MWEAST离子回旋共振加热系统如图2.1所示，主要由高频信号源、相位控制器、发射机、阻抗匹配器、加热天线等主要部件组成。图2.1 离子回旋共振加热系统框图发射机是RF波能量的源头，实验时为加热天线发射一定频率的能量。EAST离子回旋共振加热系统共有四台发射机，每台可以提供1.5MW的能量，图2.2为EAST离子回旋发射机组组成。图2.2 离子回旋共振加热系统发射机在EA

46、ST离子回旋共振加热系统中，同轴传输线的特征阻抗和发射机的特征阻抗都是50，而天线的输入阻抗是随着等离子体参数的变化而变化的。尤其在有边界局域模（ELM）活动的期间和L模向H模转换期间，边缘密度分布发生变化引起等离子体耦合阻抗也快速的变化，这些将会导致天线的辐射阻抗与RF传输线系统不匹配，功率将沿着传输线从天线反射，有可能会产生打火现象。因此必须在天线与发射机之间引入一套可调配阻抗的装置，通过调节阻抗匹配网络使其产生一个适当的附加反射波，与天线负载上所产生的反射波在指定的参考面上等幅、反相来相互抵消，从而达到匹配目的。如图2.3所示为EAST离子回旋加热天线的匹配系统。 图2.3 离子回旋共振

47、加热系统阻抗匹配装置ICRF天线是整个离子回旋共振加热系统中的射频发射装置。目前，托卡马克装置上用的ICRF天线有很多种，如缝天线、谐振腔天线、折叠波导天线和环天线等，但应用最广泛的是环天线。最简单的环天线通常是一条（或者数条）金属带，金属带一端短路接地，另一端与传输线相连，形成高频回路。目前国际上所使用的ICRF环天线主要有三种模型，分别为普通天线模型，极向二元阵天线和调谐极向二元阵天线模型，如图2.5所示。图2.4 a)普通天线 b)极向二元阵天线 c)调谐极向二元阵天线在图2.4中，三种天线上电流带的电压幅值和电场幅值可由公式（2-1）和公式（2-2）求得。 （2-1） （2-2）是电流

48、带短路处的电流幅值，d 是天线电流带与法拉第屏蔽之间的距离，是运行频率，为电流带的单位长度电感，为电流带的长度。从公式（2-1）和（2-2）可知，对于给定的输入功率和电流幅值，在单位长度的电流带电感相同的条件下，电流带长度越长，天线电流带的电压幅值和电场强度幅值就越大。根据图2.5.a，普通天线电流带长度较长，所以普通天线容易导致天线的电弧行为产生严重的杂质问题。因此，为了减少电流带上的最大电压和电场（保持电流和频率为常数），应该减小天线电流带的长度。目前国际上的托卡马克装置中使用的环天线大都采用短天线模型，各大托卡马克装置ICRF天线如图2.4所示，分别左上为C-MOD，右上为JET-EP，

49、左下为KSTAR，右下为Tore-supar。图2.4 国外各大装置ICRF天线在法国TORE SUPAR装置上首创了16MW/m2的高功率密度记录。各大装置的ICRF天线也都取得了令人瞩目的成就。新型EAST离子回旋加热天线设计参数及准则26-35EAST超导托卡马克装置时一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置。此装置建造目的是开展稳态、安全及高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究。根据EAST的最终试验目标，实现1000秒以上稳态运行，研制适合装置实验的ICRF天线是非常有必要的。一套双共振环（Resonant Double Loop RDL）离子回旋加热天线已经研制成功并

50、成功投入试验运行并取得了良好的成绩。为了寻求更合理、高效的离子回旋加热方式，决定研制一套新型ICRF天线。其设计参数如表2.2所示：表2.2 .EAST 新型ICRF加热天线的结构参数：频率可调范围30110MHZRF输出能量1.53MW发射机端传输线的特性阻抗50电流带的特性阻抗50真空传输线的特性阻抗50电流带的相速度0.63c (c 为光速)新型ICRF加热天线的设计要求如下：天线的材料选择需考虑托卡马克装置的特殊要求，对于金属材料需具有无磁，低出气率等特性，对于非金属及绝缘材料需具有耐高温，低出气率，良好的力学性能等特性。天线的整体设计需符合新型ICRF天线物理设计要求。电流带结构参数

51、需根据目标等离子体位型进行设计。尽量提高天线的功率容量。天线在EAST放电实验期间需能根据等离子体位型变化，对天线位置进行调节，调节范围为-150mm+150mm。调节精度为1mm。对天线的设计要注意天线特征阻抗的控制，包括馈口、传输线及电流带等部分的阻抗均要符合50的设计要求。保证天线的真空密封性能以及真空保持能力，对天线部件的出气性进行考虑。保证天线的装配性及可维护性，尽量减少天线部件之间的焊接连接，同时还需保证天线的总漏率不得超过10-10Pa.m3/s。对于新型ICRF加热天线设计材料的选用，需结合托卡马克装置的运行环境以及ICRF加热天线的运行特征来进行。托卡马克装置运行环境为强磁场

52、环境，且其内部为超高真空环境，等离子体温度为上KeV。因此作为天线的结构材料，必须要具备以下几个特点：材料需为无磁材料。因装置在运行过程中，其磁场强度在不断地变化，有磁及弱磁材料均会产生感应磁场从而有可能影响等离子体的位型控制；材料需有良好的结构强度性能。天线处于装置内部，在装置运行过程中会受到不同形式载荷的冲击，因此其材料力学性能必须能够承受来自各种形式的载荷；较好的电导率。因天线与真空室相连，会在等离子体放电过程中产生感应电流等，因此需要有较好的电导率以减少这些感应电流在天线部件上产生热量，另外由于传输线用于射频波传输，其上的损耗需尽量降低，因此其材料的电导率便需要尽量的减小。而相对于结构

53、材料而言，天线的绝缘材料更为关键，作为绝缘介质及绝缘支撑的材料，也需同时满足以下几个要求：结构强度良好。因为无论是介质还是支撑，均不可避免的会受到力的作用，因此在实验过程中，保证其结构的完整性是至关重要的因素；绝缘性能好。天线中的绝缘材料均用于真空传输线中，而真空传输线内外导体之间的最大电压将会达到几十KV，因此在此种情况下，拥有良好的绝缘性能是保证天线稳定运行的关键因素；介质损耗小。因绝缘材料处于高频作用下，不可避免的会在其上产生介质损耗，从而发热影响其性能。因此选择介质损耗角较小的绝缘材料可以有效的降低介质损耗及提升结构可靠性；出气率小。天线处于超高真空环境下，绝缘介质的出气率大小直接影响

54、到整个装置的运行稳定性，况且如第3点所述材料在高频作用下会发热，从而提高材料的出气率。因此对于出气率的要求必须予以保证。综合上述对于结构材料及绝缘材料的要求，最终选择下列几种材料作为天线设计及制造的标准材料：结构材料：主体结构材料 316L不锈钢绝缘材料：95%氧化铝陶瓷馈口过渡环材料：无氧铜(TU1)316L为奥氏体不锈钢，具有无磁，低出气率，机械强度高，加工性能和焊接性能出众等特点。316L不锈钢化学成分、物理特性及力学性能如表2.3、2.4所示。表2.3 316L不锈钢材料化学成分（%）CMnSiCrNiPS316L0.032.01.0016.018.012.015.00.0350.03

55、表2.4 316L不锈钢材料的物理特性密度g/cm3杨氏模量GPa泊松比热膨胀系数K-1x10-6比热容J/(kg.K)电阻率屈服强度（MPa）7.981860.294155001.2e629095%氧化铝陶瓷物理性能如表2.5所示，表2.5：95陶瓷材料性能密度（g/cm3）杨氏模量（GPa）泊松比吸水率（%）介质损耗（10-4）绝缘强度（kv/mm）介电常数3.62600.20.2504.015910表2.6无氧铜材料特性密度g/cm3杨氏模量GPa泊松比热膨胀系数K-1x10-6电阻率屈服强度（MPa）8.941180.317220如上述表中可以计算出316L不锈钢及无氧铜的许用应力，在

56、ICRF加热天线中，安全系数取1.5，则316L不锈钢的许用应力为290/1.5=193MPa；无氧铜的许用应力为220/1.5=146MPa。对ICRF加热天线结构中的金属材料进行应力强度校核时，一般采用第三强度理论(最大剪应力理论)和第四强度理论(剪切应变能理论)进行校核。第三强度理论采用屈雷斯卡应力(Tresca Stress)作为相当应力进行校核，其值为最大主应力与最小主应力之差(最大剪应力)的两倍。第四强度理论则采用冯米塞斯应力 (Von Mises Stress)作为相当应力进行校核，其值的平方为三个主应力中两两之差的平方和的一半34,35。新型EAST离子回旋加热天线结构设计与一

57、般的机械设备设计不同，ICRF天线处于高真空、强磁场及高能粒子轰击等工况下。其特殊的工作环境决定了其特殊的材料选择及设计方案。新型ICRF天线主要由法拉第屏蔽及其侧部保护板、电流带、天线箱体及窗口连接法兰、真空传输线、真空馈口及天线支撑驱动等部分组成，如图2.5所示，为天线总体示意图及各个关键部件。本节将对ICRF天线各个关键部分进行详细的阐述。图2.5 天线总体及各关键部件示意图法拉第屏蔽及侧部保护板结构设计法拉第屏蔽是ICRF天线非常重要的关键部件，位于ICRF天线中的最前端，直接面对等离子体。法拉第屏蔽主要作用有：1.避免电流带直接暴露在等离子体中受到高能粒子的轰击；2.减少因受到高能粒

58、子轰击而溅射出的杂质；3.将不必要的场分量屏蔽掉，而允许激发磁声波的场分量不受影响的通过；3.可以改变天线的电特性；4.抑制共轴模式的产生，避免边缘加热；5.在一定程度上降低了等离子体中射频场的强度。除此之外，使用法拉第屏蔽还能提高ICRF的加热效率，实验表明，使用法拉第屏蔽可以提高2倍的加热效率21,39。由于直接面对等离子体，因此，在对法拉第屏蔽的设计过程中，对其冷却回路的设计成为主导因素之一。如图2.6a)所示，法拉第屏蔽主要由法拉第屏蔽箱体及法拉第屏蔽冷却水管两个部分焊接装配组成。 图2.6 a)法拉第屏蔽设计模型 b)冷却回路设计示意图法拉第屏蔽面对等离子体弧面根据等离子体位型近似拟

59、合而成如图2.7所示。图2.7 等离子体位型图法拉第屏蔽整体材料均采用316L不锈钢。法拉第屏蔽箱体高度为770mm，宽度为475mm，左右板采用18mm 316L不锈钢加工而成，上下箱体盖板厚度为20mm，中间隔板厚度为30mm。因在实验中法拉第屏蔽距离等离子体距离约为10mm，因此中间隔板向后收缩20mm，来近似拟合环向等离子体形状。法拉第屏蔽冷却水管采用10-1不锈钢管弯制而成，每侧各有42根，两根相邻冷却水管轴线距离为16mm，法拉第屏蔽总体透明度为(16-10)*41/(16*41+10)37%。新型ICRF天线法拉第屏蔽冷却水管与原有双共振环天线冷却水管不同，原有法拉第屏蔽冷却水管

60、与装置环向成7的斜角，而新型ICRF天线法拉第屏蔽冷却水管与装置环向平行，以此来研究装置总磁场角度对于离子回旋加热效果的影响。法拉第屏蔽冷却回路的设计是关键的一项，由于直接面对等离子体，法拉第屏蔽冷却水管上的热载荷很大。因此，必须对法拉第屏蔽冷却结构回路进行设计。基于现有的技术及经济性考虑，决定采用去离子水冷方式来对法拉第屏蔽进行冷却。因为冷却水管内径较小为8mm，共有84根水管，因此采用并联水路的设计方案，方案的具体实施方式如下所述：去离子水由下方的进水口进入，首先对法拉第屏蔽的下盖板进行冷却，然后进入左侧总水路，左侧42根冷却水路并联分布在左侧总水路一线，去离子水通过左侧水管后进入中间隔板