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J-TEXT托卡马克极向场控制策略及等离子体放电运行控制的研究和实现

邱胜顺

  J-TEXT是一个中型带铁芯常规磁体的托卡马克装置,隶属于聚变与电磁新技术教育部重点实验室,为国内高校中唯一的中型托卡马克装置。该装置原为美国德克萨斯州TEXT-U装置,2002年由美国赠送给中国华中科技大学。 J-TEXT托卡马克装置参数为:等离子体大半径为1.05m,小半径为0.25-0.29m(可移动的限制器位形),最大等离子体电流350kA,中心等离子体线平均密度为3×1019m-3,等离子体中心电子和离子温度约为1keV,真空室中心最大纵场强度可达3T。装置于2005年开始重建,2007年年底实现150kA/200ms的第一等离子体放电。 本文结合J-TEXT装置特点,从理论上分析了J-TEXT装置等离子体击穿和电流建立对极向磁场控制的需求,重点研究了J-TEXT装置击穿时零场区的建立,并通过实验进行了验证;结合J-TEXT装置等离子体电流爬升特点,通过实验得出建立不同等离子体电流平顶所对应加热场电源电容器组的配合关系,用于指导今后的实验;由J-TEXT装置等离子体电流和加热场线圈电流的耦合关系,结合加热场电路方程,得到等离子体电流反馈控制系统的传递函数,并进行相关仿真,建立了等离子体电流控制系统;根据J-TEXT装置电源特点,对等离子体电流进行分段控制,给出段间衔接的详细设计;对不同大小等离子体电流(100-200kA)进行反馈,验证了控制系统的控制精度和可靠性。 本文基于先进的陶瓷基板PCB技术,结合J-TEXT装置需求,设计了两套磁测量线圈,分别用于测量等离子体水平和垂直位移;同时可为位置反馈控制系统提供信号;每套线圈均由一组变型的罗科夫斯基线圈和一组鞍型线圈组成。线圈放置于真空室内,采用不锈钢进行固定和保护,满足J-TEXT装置放电的高温高真空要求,测量所得等离子体电流重心位置同其他辐射测量结果一致。该磁测量线圈设计所采用的技术方案为国内外首例,对ITER及商业堆的磁测量线圈设计有重要参考意义。 本文采用电流丝模型,从等离子体在水平和垂直方向的受力平衡方程出发,在一定等离子体电流情况下,获得水平位移(垂直位移)和外加垂直场(水平场)的关系,结合垂直场(水平场)线圈电流在真空室中产生的垂直(水平)磁场系数和垂直场(水平场)线圈电路方程,得到等离子体水平(垂直)位移反馈控制系统的传递函数,进行仿真同时在实验中进行验证;根据J-TEXT装置放电运行特点,对等离子体水平(垂直)位移进行分段控制,对每段的控制策略和段间衔接进行详细分析;在等离子体电流平顶段,控制系统能稳定控制等离子体电流水平位移在-2至+4cm(正为低场侧,负为高场侧)范围,垂直位移在-3至+3cm(正为上,负为下)范围。 本文主要考虑J-TEXT装置等离子体运行控制的需求,建立等离子体电流、水平和垂直位置反馈控制系统,通过相关理论和实验研究,保障了J-TEXT装置可靠地产生、加热、维持和稳定等离子体。其中,J-TEXT装置等离子体击穿的理论模型以及实验验证结果,给出了适合于J-TEXT装置的击穿方法和较好击穿点;不同等离子体电流对应的加热场电容器组的配合关系,为等离子体放电运行提供参考;等离子体电流反馈控制系统设计和实验方法,为类似的控制系统设计提供可行的方法和步骤;基于PCB技术的等离子体水平和垂直位移磁测量线圈的设计及测量结果显示:该种设计方法对于未来聚变商用堆中磁线圈的大量生产有重要意义;等离子体水平和垂直位置控制系统设计方法及分段控制策略设计,为类似的多阶段控制系统设计提供参考。……   
[关键词]:J-TEXT;托卡马克;等离子体电流;等离子体位移;反馈控制
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2011年