磁约束等离子体电子回旋加热技术发展现状

[目的]磁约束聚变研究中,电子回旋加热(ECH)和电流驱动手段应用广泛,包括但不限于等离子体的启动、加热、无感电流驱动和磁流体不稳定性控制等。近年来,针对未来聚变堆发展需求,电子回旋加热相关技术得到了长足发展,ECH已成为磁约束聚变装置中主要的辅助加热手段之一。[方法]首先对ECH系统进行简介,阐述了其组成部分、特点和应用现状;然后重点从4个方面论述了目前ECH系统相关技术的发展现状与趋势。[结果]结合ECH相关技术的研究现状及应用需求,得出各相关技术发展的重难点。[结论]文章立足于ECH相关技术的发展现状与趋势,从高频以及多频回旋管(微波源)、ECH系统智能控制技术、高效电流驱动技术以及基于回旋管的相干汤姆逊散射技术等多个方面,对ECH系统相关技术的未来研究方向及应用进行了展望。

J-TEXT托卡马克等离子体中非局域效应期间温度涨落的统计分析

非局域热输运现象(NLT)是聚变界未解之谜。迄今为止,并没有恰当的理论模型解释NLT现象,但人们普遍认为NLT现象与湍流有关。采用延迟相关性分析方法及湍流强度长程相关性分析方法,分析了NLT期间由ECE测量的电子温度涨落的特征。结果发现在欧姆放电和ECRH加热等离子体中出现的NLT期间,电子温度涨落强度均具有长程相关性,且电子温度涨落的相对强度在r/a<0.8的区域均降低。重点分析了电子温度涨落的峰度和偏度在欧姆和ECRH等离子体中SMBI前后的变化。发现在欧姆等离子体中SMBI注入后芯部电子温度涨落更远离高斯分布,而在ECRH等离子体中其更接近高斯分布。在欧姆放电和ECRH加热等离子体中,SMBI注入前后,峰度和偏度的显著不同表明NLT的出现与温度涨落的峰度和偏度无关。

基于场反位形的磁约束氘氘脉冲聚变中子源方案设计

聚变中子源可以真实反映材料在聚变中子辐照下的特性变化,对于开展聚变堆材料测试具有重要意义。基于加速器打靶原理的国际聚变材料辐照装置(IFMIF)与理想聚变中子源在聚变中子能谱等方面仍有一定差异,因此需对聚变中子源方案进行新的思索。本文围绕磁约束聚变中子源开展了磁场位形、加热方案设计与相关计算,分析了场反等离子体在两级级联磁压缩后的等离子体温度、密度演化过程及相应的中子产额,并研究了考虑双流体效应与有限拉莫尔半径效应后场反等离子体倾斜模、旋转模等磁流体不稳定性的抑制情况,最终给出了氘氘脉冲聚变中子源的关键物理参数。研究结果表明,该中子源有望获得年均2 MW/m2以上的高通量密度的聚变中子,能够满足商业聚变示范堆材料测试要求;经功率估算显示,基于场反位形进行两级级联磁压缩的新型聚变中子源方案还具备成为氘氘脉冲聚变能源的应用前景。

双差模非屏蔽线缆回路的电磁串扰研究

随着电气化的发展,电气与电子系统中的电磁兼容问题越来越被重视,为了消除或抑制电磁耦合的影响,实现设备或元件电磁兼容的工作,有必要对线缆间的串扰进行研究。但目前少有相关研究关注独立的发射回路与接收回路构成的双差模回路间的电磁串扰问题。提出了一种基于多导体传输线理论的五导体传输线模型,并基于此研究了双差模非屏蔽线缆回路间的串扰问题。该方法根据耦合机理,首先建立单位长度五导体传输线等效模型,然后根据有限差分的方法列写基尔霍夫方程组,最后补充边界条件后求解得到串扰的频域解。将串扰计算结果与CST软件仿真结果进行对比,验证了该模型和计算方法的可行性与有效性,经计算分别研究了感性耦合与容性耦合,分析得到了不同因素对线束间串扰的影响规律,可为实际工程中采取措施抑制线缆间串扰提供指导,体现出该模型的先进性。

J-TEXT托卡马克装置间歇性爆发事件的实验研究

为研究密度对J-TEXT托卡马克边缘湍流及间歇性爆发事件的影响,采用往复式朗缪尔静电探针测量边缘等离子体参数,采用概率分布函数以及条件平均等分析方法,详细比较了不同线积分密度情况下边缘等离子体电子温度、密度、电位和径向电场等径向分布及涨落特征。结果表明:随着等离子体密度的增加,边缘电子温度降低,在最后闭合磁面附近的E×B剪切流减弱;密度涨落在刮削层(SOL)具有更大的正偏度与峰度,涨落幅度>1.5倍标准差的气泡(blobs)所引起的粒子输运占总输运的占比从25%上升到45%;但blobs爆发的时间间隔不依赖于积分密度,保持在35μs左右。因此,随着密度增加,blobs对边缘输运的影响更大。

面向托卡马克破裂预测的实时数据采集系统设计

[目的]等离子破裂是托卡马克核聚变装置运行中的重大威胁。破裂缓解系统可以降低等离子体破裂对装置的危害,其动作时机高度依赖于实时运行的等离子体破裂预测系统对等离子体破裂时刻的预测。基于深度学习的神经网络已被用于训练等离子体破裂预测模型,其实时运行需要来自多种诊断的大量实时数据。[方法]文中提出一种实时数据采集系统的设计方案。该系统基于模块化结构进行设计,分为多通道采集模块、ADC转换控制和数据读取模块、数据分组与封装模块和数据传输网络模块。数据传输网络模块基于运行在FPGA上的10 G速率的硬件UDP网络协议栈进行构建。该硬件UDP协议栈具有确定性的数据传输过程,使得系统具有很低的传输时延。[结果]该实时数据采集系统的采样率可以达到每通道2 MSa/s,数据吞吐速率超过9.3 Gb/s,数据传输延迟小于10μs。[结论]该实时数据采集系统可以为破裂预测程序提供快速传输的实时诊断数据流。高采样率使得系统可以对辐射、电子温度等1维诊断进行实时传输,提高数据时间分辨率。高数据吞吐率可以提高诊断数据的传输数据量,低数据传输时延可以减少破裂预测模型获取诊断数据的时间。

基于负离子的中性束注入器加速极逆变型高压电源控制策略

ITER中性束注入器加速极需要一套逆变型直流高压电源系统。该电源采用三相三电平(TPTL)直流变换器作为基本单元,通过占空比控制实现对输出电压的快速调节。针对三相三电平直流变换器在小占空比模式下输出电压纹波大的缺点,提出了一种全新的控制策略。该策略通过协调直流母线电压的大小和逆变器占空比的变化对输出电压进行调节。为了验证新的控制策略的性能,搭建了200kV/60A的MATLAB/Simulink仿真模型和400V/6A的原理样机。仿真结果和样机实验结果表明,新的控制策略可以实现逆变型高压电源在输出电压快速可调的情况下降低输出电压纹波。

离子风的应用研究进展

离子风又称“电流体(EHD)”,是气体放电产生的高能电子推动中性粒子运动,从而在宏观上表现为流体的一种现象。由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点,在过去的数十年中,离子风的研究和应用取得了很大发展。该文主要从实际应用和激励器结构改进两个方面,总结和分析近年来离子风的研究结果。离子风的实际应用主要集中在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等诸多领域,并对各领域存在的问题提出了解决方案。离子风激励器结构的改进主要解决了离子风在以上应用领域所存在的放电副产物、离子风强度低、带电粒子的影响、占用空间大和电极腐蚀等问题。最后,对离子风的未来研究做出了展望,为离子风的研究提供了思路。

J-TEXT装置泰勒放电清洗实验研究

托卡马克真空室中存在着杂质所产生的线辐射,这会引起等离子体能量损失和氢气燃料浓度降低。因此,为了提高聚变三重积,需要在放电开始前将托卡马克真空室内的轻杂质含量降至较低水平。轻杂质元素主要吸附在装置第一壁上,现阶段主要使用放电清洗手段解吸第一壁上吸附的杂质。本文建立了一套差分抽气质谱分析系统,可在J-TEXT托卡马克装置进行泰勒放电清洗时工作。其可以将主真空室内较高压力的气体引入到配有差分抽气系统的质谱室中进行分析,从而得到清洗过程中各气体分压强的变化,用于监测放电清洗效果。同时,结合磁测量、静电探针、Hα辐射以及CⅢ辐射等诊断系统,测量了清洗过程中等离子体电流、电压、温度、密度和辐射等参数随不同放电清洗参数的变化,为J-TEXT氢气泰勒放电清洗参数优化提供参考。

一种新型磁涡流节能供热装置研制

风能储量大、分布区域广,是一种开发利用潜力巨大的可再生清洁能源。作者提出将风能直接就地转化成热能为建筑物供暖,聚焦提高风力磁涡流致热和换热效率研究。采用海尔贝克阵列磁极排列建立单边磁场,增大定子涡流,较表贴式磁极结构的致热功率提升28.27%;采用昆虫翅脉结构仿生流道设计发热体,增大换热面积,较传统螺旋形流道换热效率提高18.7%。在致热和换热设计性能仿真基础上,采用SolidWorks完成风力磁涡流制热装置的机械设计,并制作了一台5kW原理样机,开展整机台架致热效果试验,结果表明平均致热效率可达55.82%。提出的新型磁涡流节能供热装置,可实现海岛、农村和边疆等电网难以达到地区建筑物绿色供暖,有着广阔的应用前景。

Tikhonov算法在相干成像辐射率和流速反演中的应用

介绍了Tikhonov算法对HL-2A装置辐射率反演的应用,在修正了HL-2A装置相机定位造成的视弦偏移等问题后,采用Tikhonov算法获得了J-TEXT装置的辐射率和流速的反演图像。

分布式带电粒子催化人工降雨雪远程综合控制系统

为了解决传统人工降雨技术存在的限制和不足,各国都在积极开展新型人工降雨技术的研究,带电粒子催化人工降雨技术就是新型人工降雨技术的一种,该方法通过架设在野外的带电粒子发生器基站产出带电粒子催化降雨。进行带电粒子催化人工降雨雪实验需要远程控制基站中的各个实验设备,并对实验区域内的气象数据进行实时监测,因此需要实现一个综合控制系统。根据实验的具体需求实现了该系统,系统与不同类型设备连接的软件接口基于大型实验系统控制框架CFET开发,可以便捷地添加设备和管理设备。该系统被设计为通过网络连接的分布式系统,能满足多个实验点集中控制的需求。

J-TEXT托卡马克高速单色成像系统研制

在J-TEXT托卡马克上研制了一套高速单色成像系统用于研究等离子体杂质行为与磁流体力学(MHD)不稳定性之间的关系。用STRAH代码模拟估算了碳杂质(CV227.09nm,CIII464.7nm)辐射强度。采用光纤耦合方法设计了系统光路结构,光路覆盖高场侧区域0.3a~0.95a(a为小半径),其空间分辨率为1.3cm。选用光电倍增管(PMT)作为系统的探测器,结合跨阻电路与有源滤波器的电路方案,系统实现5×10^(5)V×A^(-1)电流增益,其电路带宽为100k Hz,时间分辨率达到10μs。初步实验结果表明,系统可以监测到J-TEXT中等离子体MHD不稳定性放电中CV分布的变化。