HL-3装置ECRH天线系统研制

电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统是中国环流三号(HL-3)实验装置的一种重要加热和等离子体电流控制方法,微波通过天线发射器注入等离子体,是ECRH系统的重要组成部分。根据ECRH系统需求,对其天线系统进行了概念设计和光路设计以及具体的天线制作,并进行了测试与安装。HL-3装置ECRH天线系统由三个天线组成,包含一个中平面天线和两个上斜天线,三个天线位于装置弱场侧的同一扇段,可协同完成加热、新经典撕裂模(Neoclassical Tearing Mode,NTM)控制等功能。目前已经完成其中两个天线的设计、制造和测试,另外一个天线完成了发射光路的设计。测试结果表明:中平面天线和上斜一号天线控制精确、快速,达到了装置实验使用的要求。

HL-3装置上离子回旋波加热对中子产额的影响

离子回旋射频(Ion Cyclotron Range of Frequencies,ICRF)波加热是托卡马克装置上至关重要的辅助加热方式之一。托卡马克装置中国环流三号(HL-3,原名HL-2M)拟安装加热功率为6 MW的ICRF加热系统。本工作利用TRANSP程序,模拟并研究了ICRF加热的频率和功率对聚变中子产额以及快离子分布的影响。研究结果表明:ICRF的频率和功率对中子产额有显著影响,固定ICRF频率时,中子产额与加热功率成正比关系,而在固定ICRF加热功率的情况下,中子产额的增加幅度显著依赖ICRF的频率,在研究参数范围内,30 MHz的ICRF对中子产额的增加具有最显著的增强作用。快离子分布的模拟结果显示,在考虑ICRF加热后,中性束和ICRF的协同加热机制能够将快离子加热至最高1 MeV,有效地提高了中子产额。此外,基于中子相机诊断的概念对中子信号进行了仿真。结果表明,中子相机能够有效地测量到由ICRF加热导致的中子产额高低和分布剖面的变化,这为将来优化中子相机诊断系统设计和测量中子空间分布提供了一定的参考。

HL-3装置碳基第一壁螺栓预紧力分析

通过对HL-3装置第一壁基本模块进行高温下的螺栓预紧力分析,获得第一壁结构的应力分布及螺栓预紧力的变化情况,为碳基第一壁结构的现场安装提供数据支撑。

HL-3装置碳基第一壁系统地震响应谱分析

针对HL-3碳基第一壁系统进行了地震工况分析。建立了包含装置主体系统的整体模型,通过模态分析获得第一壁系统的基本动力学特征。采用响应谱法对第一壁分析模型进行地震分析,计算出第一壁结构在工况下的变形和应力分布。分析结果表明,碳基第一壁满足结构设计安全性要求。

HL-3装置电子回旋共振加热系统中上斜一号天线光路的改进与测试

针对HL-3装置等离子体实验的不同目的,为电子回旋共振加热系统设计了3组发射天线,其中上斜一号天线包含两束微波,其主要功能是控制MHD的不稳定性及实时抑制新经典撕裂模(NTM)。要实时控制与抑制NTM不稳定性,需要依靠天线快速改变注入角度,向磁岛位置发射微波。针对之前光路设计存在的问题,对上斜一号天线聚焦镜进行了重新设计,并完成了加工制造。在光线测试平台使用激光模拟微波,测试了此天线的性能。经测试天线左右两电机在满量程(入射角度-15°~-80°)运行时的最快变化时间分别为189.875ms和189.5ms。测试结果表明,天线控制精确、快速,达到了装置实验使用的要求。

基于PLC的HL-3装置中性束逻辑控制系统设计

[目的]中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实现对加热系统现场设备的远程控制、运行状态的实时监控和放电实验的逻辑控制。[方法]根据NBI加热束线控制需求确定PLC系统的硬件配置,组建了以西门子S7-416为主控制器,以Profibus-DP网络和工业以太网为基础,以光纤为传输介质的分布式I/O系统。采用组态软件STEP7实现硬件组态、通信连接和程序编写,利用界面软件WinCC完成集中管理、过程监控和信息归档。[结果]PLC系统能够实时监控现场设备状态,与NBI控制系统进行数据交换,指导现场设备稳定运行。此外,图形化的用户界面使得实验过程可视化,真空值、流量和温度的实时显示,为实验运行人员提供了及时的状态信息。[结论]整个PLC系统高效可靠,重复性好,具有良好的兼容性和可扩展性,实现了对NBI束线现场设备的监测和控制。

基于超级电容储能的HL-3装置中性束逆变型高压电源模块设计

高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分,决定着束能量和引出束流的品质。随着电压等级的逐步提高,脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)高压电源无法满足实验要求。为了实现中性束调制注入功率的快速切换,提出一种基于超级电容储能的逆变型高压电源。采用超级电容储能方式,降低所需电网容量,减小对电网的冲击。采用软开关技术的直流(DC)-直流(DC)谐振变换器结构,提高电源的响应速度,减小开关器件的开关损耗。设计电源模块电路拓扑,根据电源性能指标要求完成系统建模计算。建立充电电路和主回路的电力仿真软件PSIM(Power SIMulation)仿真模型,对电源性能指标进行仿真验证。最后搭建了逆变电源模块测试样机,进行了阶跃响应、电压纹波和软开关性能指标测试。仿真及实验验证结果表明:设计的电源模块能够实现1 600 V/50 A的稳定输出,满足6 MW/120 kV设计要求。

HL-3装置电子回旋电流驱动的优化计算

利用托卡马克集成模拟与实验分析平台(OMFIT)开展了HL-3装置ECCD驱动效率的研究,分析了ECCD系统发射天线在等离子体环向与极向所成的角度、等离子体密度、电子温度和磁场对驱动电流大小和位置的影响。研究发现,环向角和极向角范围分别为185°~200°、85°~105°时,ECCD电流驱动效率比较高,驱动电流可以覆盖到归一化半径0.4~0.6。研究还发现,电子温度显著影响ECCD电流驱动效率,温度越高驱动电流越大;在弱场侧磁场强度(1.9~2.2T)越小,驱动电流分布归一化半径越小和驱动电流越大。

HL-3装置强场侧低杂波天线的波谱设计

为研究高参数等离子体的低杂波可近性,基于HL-3装置设计了一套位于强场侧的低杂波天线。利用ALOHA代码对强场侧的天线进行模拟分析,针对只有一个单元的PAM天线,分别对其子波导数量、有源/无源子波导的高度、宽度和壁厚等参数进行模拟,得到了天线的最佳结构和尺寸。最终优化后的天线发射参数为:波谱中心的平行折射率N|为2.25,天线的反射系数小于2%,方向性系数大于0.59。

HL-3装置台基区边缘局域模的数值模拟研究

基于剥离气球模模型,采用BOUT++中三场elm-pb程序对HL-3装置中台基区边缘局域模(ELM)进行了数值模拟。研究结果表明,HL-3中台基区主导ELM的环向模数为n=25,驱动ELM的因素为电流主导的剥离气球模不稳定性,台基剖面垮塌集中在压强梯度最大处。此外,数值模拟结果显示在HL-3装置中台基区ELM幅值较小,是一种草丛型边缘局域模。

HL-3装置环向场线圈热工分析

利用COMSOL Multiphysics软件对HL-3装置环向场线圈(TF)进行了热工水力分析,研究了不同工况下线圈的冷却效率,得到了冷却水的压力、流量及温度分布情况。分析结果表明,TF线圈的冷却时间控制在900s内完全可以满足装置的冷却需求。在140kA和190kA电流的条件下,一次通电周期内线圈的最高温度不会超过80℃,不会对线圈之间的匝间绝缘造成破坏。TF线圈的主要发热集中在中心柱段,在对线圈施加冷却措施下,600s时线圈的温度可以降到较低的范围,900s时可以使线圈得到充分的冷却。线圈内部管道中的冷却水流速控制在2~4m·s^(-1)较为合适,入口压力不宜超过0.45MPa。在必要的情况下,可以将TF线圈的冷却时间减少至600s。

兆瓦级超级电容储能系统向中心螺线管供电的仿真研究

为满足HL-3装置高参数供电需求,开展了150MW超级电容储能系统初步设计及向中心螺线管(CS)电源系统供电的匹配性仿真研究。储能系统采用基于载波移相调制的级联H桥结构设计,通过建模仿真的方法验证储能系统整体参数设计的合理性后,进行了储能系统对中心螺线管电源供电的虚拟放电实验。实验结果表明,储能系统交流输出侧需串接合适参数的滤波器,不仅能降低交流谐波含量,同时有利于CS电源变流器大电流逆变成功,实现CS电源四象限运行;另外,设计的超级电容储能系统可以吸收CS电源逆变过程中回馈的能量且输出电压波动小于7%,放电运行过程中各项参数均满足系统性能要求。建立的仿真模型可以作为后续验证复杂控制策略的研究平台。